硒化镓纳米带:飞焦级光脉冲的非线性光频转换

 

        由于二维原子晶体材料在尺度上小于激光的相干长度,在用作光频转换的非线性材料时,在其透明波段的二阶非线性光频变换过程都能满足相位匹配条件,因此,使用二维原子晶体材料有望实现超宽带的光频转换。在诸多二维原子晶体材料中,硒化镓微纳晶片拥有较高的二阶非线性系数,理论上可以获得较高的非线性光频转换。但目前对硒化镓微纳晶片的非线性研究主要集中在其厚度方向。由于二维原子晶体在厚度方向只有寥寥数层原子,其厚度仅为纳米量级。受限于光与物质相互作用的长度,在厚度方向上的非线性光频转换效率很低,较低的输出光能量也无法适应实际应用的需要。与此不同的是,通过微光纤倏逝波耦合法,可以把激发光高效率地耦合进入微纳波导,而光沿着微纳波导传输可以显著增加激发光与微纳波导的作用长度,极大提升非线性光频转换的效率,从而大大降低入射光的能量和功率,为少光子非线性光频转换的研究提供了新的思路。

 

 

为此,上海理工大学谷付星副教授科研团队联合华南理工大学虞华康博士以及中科院上海技术物理研究所陈滔博士,提出了使用导波硒化镓纳米带对飞焦级光脉冲进行高效的非线性光频转换。他们使用化学气相沉积制备出单晶硒化镓纳米带,长度上可到500微米,在宽度上为100纳米到数微米不等。为了证明硒化镓纳米带的非线性光频转换性能,该团队首先使用连续波的980和1064nm的激光通过波导耦合到一条1.5微米宽,120微米长的硒化镓纳米带中,在0.2mW的泵浦功率下就产生了极强的横向倍频光。利用这种横向的高效倍频效应,该团队构建了基于硒化镓纳米带的倍频型强度自相关仪。将钛宝石锁模激光器产生的810nm的光脉冲分成两束,分别从硒化镓纳米线的两端入射,利用一对透射光栅调节脉冲展宽,使得两束激光脉冲在纳米线内交汇并产生横向的倍频激光输出。通过观察倍频激光的空间分布,并根据硒化镓纳米线的有效折射率就可以反演出基频激光的脉冲宽度。通过调节入射激光的能量,发现使用这种配置的自相关仪可以在入射激光能量为飞焦量级时依然能获得自相关信号并反演出实际脉冲宽度。如此低的入射光能量要求也超越了几乎所有市售的强度自相关仪。

该工作研制的高非线性系数导波硒化镓纳米带对于研究少光子非线性效应具有重要的意义,利用硒化镓纳米带构建的倍频型强度自相关仪也为极端低能量下的超快光学研究提供了有力的研究工具。

相关成果发表Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201701012)上,第一作者为上海理工大学光学工程专业博士生廖风。

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