广东快乐十分预测器

当前位置:广东快乐10分预测 > 广东快乐十分预测器 > Nature Communications 发表李涛/祝世宁研究组在超构表

Nature Communications 发表李涛/祝世宁研究组在超构表

来源:http://www.btxygg.com 作者:广东快乐10分预测 时间:2019-11-02 22:54

最近,现代工程与应用科学学院秦亦强教授、张超副教授团队、物理学院朱永元教授课题组通力合作在非线性光学成像领域取得了进展,提出了一种利用二次谐波直接观测无规铁电畴结构的新型方法,并在理论和实验上得到了验证。该研究工作已被Physical Review Letters接收发表。

图4. 连续宽带消色差超构表面反射板示意图,不同频率相位差示意图,理论计算各种频率下消色差样品的反射角度,实验制备消色差反射板的SEM图,实验测试得到的反射效果。

图3 啁啾结构非线性光子晶体中产生的高次谐波

论文第一作者是现代工程与应用科学学院2014级直博生陆蓉儿,张超副教授和秦亦强教授为本文的共同通讯作者。朱永元教授给予本文精细的指导。南京大学是论文唯一署名单位。现代工程与应用科学学院张勇教授、物理学院洪煦昊工程师对实验提供了大力支持。感谢刘冬梅博士、魏敦钊博士生及刘昂博士生的帮助。该研究由国家重点研发计划(2017YFA0303700)、国家自然科学基金、江苏省科学基金项目资助完成,同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省高等教育机构优势学科等平台与项目的大力支持。

南京大学李涛/祝世宁研究组联合台湾中央研究院蔡定平研究组在宽带消色差超构表面器件上取得重要进展,他们提出集成共振的方案并与几何相位结合,成功设计并演示了工作带宽达到450纳米的反射性超构透镜消色差聚焦及定向反射,在超构表面器件的实用化迈出了重要一步。

课题组在沿光传播的方向,将负畴的宽度选为固定值,通过改变正畴的宽度来改变极化的周期,实现了啁啾结构的周期性极化铌酸锂晶体,并利用高压脉冲极化技术制备了1.6 cm长的实验样品。通过对啁啾结构中畴分布的位置函数进行傅里叶变换得到结构的倒格矢分布情况,如图2所示。理论分析表明,该具有啁啾结构的晶体具有多个宽带的倒格矢带分布,不仅能对高次谐波产生过程中各非线性过程的相位失配进行补偿,还能使入射中红外飞秒脉冲泵浦激光的各波长成分都能参与到高次谐波产生的非线性过程当中,从而充分利用激光线宽内的各成分能量,显著提高非线性相互作用的强度,产生高亮度的高次谐波,如图2所示。

利用铁电畴畴壁在非线性成像过程中的特殊衍射性质,研究人员提出了一种简单的非线性成像方法,能够直接并实时地观测二维无规铁电畴结构。该工作主要分为理论和实验两部分。理论上主要从衍射方程出发,对铁电畴畴壁的二次谐波衍射特性进行了理论分析,给出了一对正负畴的倍频传输场强分布的解析解,发现畴壁处的倍频像始终呈暗场。通过进一步的理论分析,发现畴壁的倍频像线宽在一定区域内与传播距离的平方根成正比,与正常的远场衍射过程相比畴壁像的展宽得到了极大的抑制,为直接成像提供了可能性。在此基础上,将单一畴结构推广到复杂的无规则畴结构,进一步通过数值仿真模拟二次谐波成像证实了传输过程中畴界的近似无衍射性质。该工作的实验部分主要以钽酸锂为例,用900nm的飞秒激光打到样品上,在CCD中可以直接收集到450nm的倍频畴结构像,其中畴界显示为暗场。结果表明,可以在百微米范围内连续观测到畴结构的清晰倍频像,其中衍射效应确实得到了很好的抑制。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

基于啁啾调制的非线性超晶格产生高次谐波的设计方法灵活简单,适用性广,可应用于短波光源、白光光源、超连续光源、光频率梳、超短脉冲激光等高新技术,在照明、信息处理、信号探测、激光加工、光谱分析、微纳光学集成等领域有重要的实际应用价值。在基础科学上,此项成果也为进一步探索固体材料内部光和物质非线性相互作用的丰富多彩的未知前沿领域打开了一扇崭新的窗口,并提供了崭新的研究思路和研究方法。相关的理论和实验工作发表在近期的《物理评论快报》【Phy. Rev. Lett. 115, 083902 上,并申请了国家发明专利。

铁电材料由于其压电、热电和光电方面的特殊性质而在许多研究领域中有着广泛的应用。微观结构决定宏观功能,因此对铁电畴结构的表征技术逐渐成为一个热点课题。经过几十年的发展,包括电子显微镜、线性光学成像和非线性光学成像等方法,已经广泛地运用于观测畴结构。然而这些方法在实际研究和应用中仍存在一定局限性,比如说线性光学方法由于正负畴的折射率相同,需要先对样品腐蚀来改变畴壁周围的相关特性,这就对会样品造成损伤;再比如基于Talbot和Cherenkov效应的一些非线性光学方法,只适用于周期结构或者是需要配合焦点扫描的手段才能成像,无法直接对一般的无规畴结构进行观测。

接下来的光学测试获得的消色差效果与理论计算的结果符合的非常好。如图3所示,在1200nm到1650nm的波段中,得到了很好的消色差聚焦效果,焦距与理论设计基本一致。值得一提的是,这个消色差聚焦镜的带宽达到了450nm,已经接近中心波长的1/3,这是现有报道中最大的消色差带宽,远远超出前人的结果。而且,这个方案不仅可以设计连续宽带的超构表面聚焦镜,还可以设计连续宽带的超构表面反射板。在同样的工作频段,所有频率的入射光束都可以以同一角度反射,见图4。

广东快乐十分预测器 1

这种基于二次谐波的观测方法不需要大型的显微镜设备,也不需要焦点扫描,可以用来无损地实时观测不规则畴结构,其成像质量还有望通过计算机后期数据处理进一步提升,为实现铁电畴的高分辨率成像提供了可能,具有很高的潜在应用价值。

图2. 特殊排列的金属纳米棒结构与金属反射镜结合产生所需要的不同斜率线性相位补偿。根据设计实验加工出的样品光学显微照片和局部放大电子显微镜照片。

然而,要在单块非线性晶体中实现更高次谐波的产生却是一个难以攻克的关卡,这是由于在高次谐波实现的过程中涉及的非线性上转换过程很多,而单块晶体所能提供的倒格矢很难同时对这些过程中的相位失配进行补偿。在世界范围内,为了实现高转换效率的高次谐波产生,只能利用多块非线性晶体级联使用,同时需要精细地控制每块晶体的相位匹配条件,以获得尽可能高的转换效率。自非线性光学诞生50年以来,还没有在单块晶体中获得高效的高次谐波产生。最近,该研究组利用原创性的科学思路和技术方案,在这一重要的科学难题上获得了突破性的研究进展。该组的博士研究生陈宝琴、张超、胡晨阳和副研究员刘荣鹃等在李志远的指导下,利用啁啾结构非线性光子晶体具有宽带倒格矢分布的特点,首次实现宽带超连续高次谐波的产生,在单块晶体中实现了二到八次谐波的同时产生。

(现代工程与应用科学学院 物理学院 科学技术处)

广东快乐十分预测器 2

图2 啁啾结构非线性光子晶体的倒格矢分布及准相位匹配过程

广东快乐十分预测器 3

广东快乐十分预测器 4

啁啾结构非线性超晶格样品的设计及其成功有多方面的要素。1. 非线性过程利用了铌酸锂晶体最大的非线性系数d33;2. 样品提供了一系列的倒格矢带,基本满足级联过程产生多阶高次谐波的要求;3. 倒格矢带有足够的带宽,可覆盖泵浦飞秒激光的带宽,从而最大限度地利用基频光所有频谱成分的能量;4. 泵浦光为飞秒脉冲激光,有高的峰值功率水平,可显著提升非线性相互作用强度;5. 样品为一维的非线性超晶格,各准相位匹配过程均为共线发生。共线的非线性过程有效精简了光路调整的复杂度,并且避免了走离效应等缺陷,增加了非线性作用长度,进一步增加了高次谐波的转换效率;6. 所有的非线性过程都在单块晶体内部发生,避免了使用多块级联晶体带来的晶体界面耦合损耗的问题。正是具备了如此之多的优点,才使得在单块非线性晶体中实现高效宽带的高次谐波产生,从而在非线性光学的核心战略问题上获得突破性进展成为可能。

近期,现代工程与应用科学学院李涛教授、祝世宁院士研究组与台湾中央研究院的蔡定平教授合作,在解决超构表面器件在连续宽频段上消色差的方面取得了重大进展。他们首先将透镜聚焦所需要的相位分解成两部分,即:频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位。然后巧妙结合超构表面结构设计的两种方案(共振性和几何相位性),通过几何相位设计聚焦透镜需要的基础相位分布,再通过共振设计补偿不同频率带来的相位色散。需要特别强调的是,通常的共振带来相位变化都是突变的,不满足与频率成正比的线性相位补偿。本工作中,他们提出了新颖的“集成共振(integrate resonance)”方案,通过特殊排列的金属棒的多个共振之间的线性相位区域,成功设计出满足聚焦透镜要求的一系列不同斜率的线性相位补偿的结构单元。图2b显示了利用纳米加工制备的反射性超构透镜样品照片,整个镜片的直径约55微米。右侧电子显微镜照片反映出了该超构透镜的结构单元具有几何相位的旋转排布,以及不同纳米棒形状及数目的集成共振性质。

以上研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院项目的支持。

当前,人们已经展示了利用超构表面研制的平板超构透镜可以媲美传统光学显微镜镜头的成像效果。不过,此类新原理设计真正走向应用还面临几项重要挑战,材料色散及衍射效应导致的色差就是其中之一。如何实现器件的宽带消色差是该领域大家公认的目标。围绕这个目标,国际上正在开展激烈研究竞赛。前人已报道的工作大多是通过参数优化方法实现几个孤立波长的消色差。对于连续波段的消色差,目前报道最好结果仅是60nm和140nm。其带宽难以拓展的原因是传统超构表面的结构单元所提供的参数空间很难同时满足消色差透镜所需的空域相位分布和频域相位补偿。因此,人们亟待发展出新的设计原理和方法来突破超构表面器件消色差带宽的瓶颈。

课题组用中红外飞秒脉冲激光器进行实验,当中红外的飞秒激光(脉冲宽度115 fs, 平均功率20 mW, 带宽3400-3800 nm, 重复频率1 kHz, 峰值功率0.17 GW)进入啁啾结构的样品后,在输出端看到了一个非常亮的白光光斑,用光栅对输出光进行分光得到了0阶和-1阶的衍射光斑,充分反映了从啁啾结构样品输出的光具有超连续宽带的可见光分布。经仔细的分析和计算,得到晶体内部的转换效率约为18%(可见光波段400-800nm),远高于用强激光轰击原子气体和等离子体获得高次谐波的转换效率。其中,各阶谐波的转换效率分别为:四次谐波(850-950nm)~0.7%, 五次谐波(660-850nm)~4.5%,六次谐波(560-660nm)~7.2%,七次谐波(485-560nm)~5.1%,八次谐波(350-485nm)~1.2%。实验结果表明,经过特殊的设计,高阶谐波的转换效率可远高于低阶谐波。

该工作近日发表在NATURE COMMUNICATIONS 8, 187 (DOI: 10.1038/s41467-017-00166-7)。南京大学现代工程与应用科学学院研究员王漱明博士是论文的第一作者,台湾中央研究院的吴品颉博士和台湾大学的苏文生博士为并列第一作者,并列通讯作者是南京大学的李涛教授、王漱明研究员、祝世宁院士以及台湾中央研究院的蔡定平教授。该工作受到科技部重点研发计划(纳米专项和量子调控),国家自然科学基金创新群体项目、优秀青年基金、面上基金项目的支持,同时也感谢南京大学登峰人才计划的支持。

广东快乐十分预测器 5

图3. 实验测量与理论模拟获得消色差聚焦效果图(工作波段:1200nm-1650nm,带宽:450nm)。

广东快乐十分预测器 6

图1. 传统色差的超构透镜和消色差超构透镜的结构和聚焦示意图。

自激光产生以来,人们已经利用非线性光学晶体材料中的各种非线性光学效应(倍频、和频、差频等)成功地将激光的窗口扩大到深紫外、可见、红外、太赫兹等范围,并实现了宽带相干光源和超快脉冲激光。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室光物理实验室研究员李志远课题组,近年致力于利用准相位匹配技术(quasi-phase matching, QPM) 实现高效率非线性转换的研究,利用铌酸锂超晶格非线性晶体实现了多方向二次谐波的产生【Nature Communications 发表李涛/祝世宁研究组在超构表面研究的重要进展广东快乐十分预测器。Appl. Phys. Lett. 105, 151106 以及宽带二次谐波和三次谐波的同时产生【Light: Science & Applications 3, e189 。

广东快乐十分预测器 7

图1 啁啾结构非线性光子晶体的构造示意图

广东快乐十分预测器 8

超构表面(Metasurface)是通过一薄层亚波长结构单元去局域地控制空间光场的相位、偏振、及强度等分布的光学设计。它可以有效地调控光的传播性质,实现如聚焦、负折射、隐身地毯等功能,同时避免了在体块超构材料(Metamaterial)内部传播的巨大损耗,因而具有重要的应用前景。而且,超构表面的厚度仅在波长量级甚至更薄,具有优异的微纳光学集成功能,比如其特有的平面结构,为研制平板透镜等光学器件提供了全新的设计原理。

本文由广东快乐10分预测发布于广东快乐十分预测器,转载请注明出处:Nature Communications 发表李涛/祝世宁研究组在超构表

关键词: 教授 副教授 进展 表面 倍频