得益于其简易的流程，较高的精度和三维灵活性，飞秒激光直写波导技术在近年来被广泛应用于各类微纳光子器件的制备。这项技术依赖于聚焦飞秒激光在透明材料内部引起的非线性吸收过程。根据不同的激光加工参数和材料属性，被照射的区域会产生折射率的局域上升或下降，在此基础上构建的波导结构可分为以下三类：I型单线波导，II型双线波导和III型包层波导。其中II型和III型波导利用飞秒激光照射后的低折射率区域作为波导壁，中心应力挤压产生的高折射率区域作为波导芯。它们相较于I型波导具有更好的热稳定性和偏振属性，且材料的本身属性不受影响，因而在激光和非线性光学领域有些广泛的应用。

此外，飞秒激光还被证实具有改变材料非线性属性的能力。一方面对于部分铁电晶体而言，聚焦飞秒激光导致的局域温度梯度场可能诱发热电场，进而引起铁电畴反转。这种光致极化的现象对飞秒激光脉冲的参数和直写的取向有着极高的要求，在实验上较难实现；另一方面，聚焦飞秒激光也可直接通过破坏晶格结构来实现对非线性系数的调制。根据破坏程度的不同，可实现对非线性系数的降低乃至擦除。相较于传统的电场极化技术，飞秒激光调制非线性具有成本低，可加工三维非线性结构等优势，基于此制造的一至三维准位匹配结构在非线性频率转换，光束整形，全息成像领域有着重要的作用。

本文结合飞秒激光调制折射率和非线性的双重性质，首次在Z切铌酸锂晶体上制备了飞秒激光直写的准相位匹配II型波导结构，并展示了其中基于铌酸锂最大非线性系数d33的二次谐波产生过程。图1是实验中所用到飞秒激光直写装置和设计图，这里飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为500fs，重复频率为1k Hz。所制备波导的非线性调制周期约为6.9 um，用于满足基频为1064nm的激光室温下二次谐波的准相位匹配条件。图2展示了实验上所制备的波导结构和基于平面应力模型仿真得到的波导截面折射率分布。图3展示了实验中记录的二次谐波功率与输入基频功率的关系。在存在准相位匹配波导的II型波导中，我们获得了8.76 %/W*cm的转换效率，对比无准相位匹配结构的波导有显著提升。根据数值计算，实验中飞秒激光对非线性系数的调制深度约为0.89。该结构将提供一种制备简易同时保证较高非线性转换效率的飞秒激光直写准相位波导方案。

图1.飞秒激光直写装置示意图。

图2. （a）飞秒激光直写准相位匹配II型波导和普通II型波导。（b）II型波导（上）和非线性调制区域（下）截面。（c）(d)仿真得到的波导截面折射率分布。

图3. （a）准相位匹配II型波导中输入基频光功率与输出二次谐波功率的关系。（b）准相位匹配II型波导与普通II型波导中二次谐波对比。

该成果发表在“Tingge Yuan, Bing Zhu, Honghuan Tu, Yuping Chen and Xianfeng Chen, Femtosecond laser direct writing quasi-phase matched type-II waveguide in lithium niobate, Optical Materials Express, 13(1), 1-8 (2023)”。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OME.477618