[论文解读] Harmonic generation in a two dimensional nonlinear quasicrystal

Neil G. R. Broderick, Anna C. Peacock+3 more|ArXiv.org|Jul 30, 2004

Nonlinear Optical Materials Research被引用 4

一句话总结

该论文首次在周期极化铌酸锂中实现了基于彭罗斯密铺的二维非线性准晶，通过密集且非周期性的傅里叶谱实现了增强的相位匹配灵活性，实现了二次谐波产生（SHG）。该晶体表现出五重对称性，并支持多个SHG峰，证实了理论预测的均匀高质量极化，为复杂非线性全息应用铺平了道路。

ABSTRACT

Second harmonic generation in a two dimensional nonlinear quasi-crystal is demonstrated for the first time. Temperature and wavelength tuning of the crystal reveal the uniformity of the pattern while angle tuning reveals the dense nature of the crystal's Fourier spectrum. These results compare well with theoretical predictions showing the excellent uniformity of the crystal and suggest that more complicated ``nonlinear holograms'' should be possible.

研究动机与目标

• 设计并制造具有非周期性、非平移对称域图案的二维非线性光子准晶，以增强非线性光学功能。
• 实验验证在周期极化铌酸锂中，非周期性准晶结构可支持高效的二次谐波产生（SHG）。
• 通过温度、波长和角度调谐SHG响应，验证准晶的密集非周期性傅里叶谱。
• 评估晶体厚度方向和横向尺寸上极化图案的一致性和保真度。
• 探索此类结构在未来的“非线性全息”中应用的可行性，通过实现多个非线性过程的同时相位匹配。

提出的方法

• 利用由厚菱形和薄菱形组成的彭罗斯密铺设计准晶，将极化区域置于顶点位置，以形成非周期性结构。
• 计算域图案的傅里叶变换，以识别准相位匹配（QPM）的倒易晶格矢量，并通过优化使1536 nm波长处SHG的傅里叶系数最大化。
• 基于优化后的图案，制作了20.53 mm × 1.15 mm的光刻掩模，并通过质子交换与电场辅助域反转，在z切LiNbO3晶体上定义极化区域。
• 在室温下使用液体电极对±z面进行极化，通过与x和y晶轴对齐，确保结构保真度。
• 对±x面进行抛光，以实现20 mm的光传播长度，并通过调节输入光的温度、波长和角度测量SHG响应。
• 将理论预测的傅里叶峰位置和强度与实验测得的SHG光斑位置和强度进行比较，以验证晶体倒易空间结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在周期极化铌酸锂中制备出具有高结构保真度的二维非周期性非线性准晶？
• RQ2 彭罗斯准晶的密集非周期性傅里叶谱是否能实现多个广泛分离的SHG相位匹配条件？
• RQ3 实验测得的SHG响应（温度、波长和角度调谐）与基于晶体傅里叶变换的理论预测相比如何？
• RQ4 非共线几何结构和潜在的过极化效应在多大程度上影响实测SHG效率，与理论预期相比？
• RQ5 此类准晶能否支持多个非线性过程的同时相位匹配，从而实现复杂的光束整形？

主要发现

• 所制备的2D非线性准晶在20.53 mm × 1.15 mm的整个区域内表现出均匀极化，并在0.5 mm的晶体深度内忠实再现。
• 在120–160 °C范围内进行温度调谐，半高全宽（FWHM）为5.1 °C，与理论带宽一致，证实了结构的均匀性。
• 在1533–1543 nm波长范围内进行波长调谐，FWHM为1.3 nm，与温度调谐带宽一致，验证了傅里叶空间的周期性。
• 角度调谐揭示了43个独立的SHG光斑，比以往在周期性PPLN晶体中观察到的多出50%，证实了准晶的密集倒易晶格结构。
• 理论预测与41个实验SHG光斑匹配，仅有两个未解释的光斑和一个缺失的理论峰，表明可能存在过极化效应改变了傅里叶系数。
• 在105 °C时测得的SHG效率为1.64%，低于理论值2.73%（共线几何下），可能由于非共线相互作用和域尺寸的不确定性所致，但表明通过优化傅里叶峰，效率有望超过90%。