眾所周知，鈮酸鋰(LiNbO3)是一種很有前途的光通信和量子光子芯片材料。這種晶體具有優(yōu)異的電光、聲光和非線性光特性，是下一代光通信網(wǎng)絡(luò)、微波光子系統(tǒng)和量子信息處理的光子器件的核心材料。
南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的張勇團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)演示了一種新的非互易近紅外(NIR)激光寫入技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)三維LiNbO3納米疇工程的可控可逆的構(gòu)建。在此之前，電場極化的LiNbO3鐵電疇結(jié)構(gòu)一直停留在微米分辨率的二維結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的超快激光寫入技術(shù)不同，本文提出的激光誘導(dǎo)疇工程在很大程度上依賴于激光寫入方向。其基本原理為激光誘發(fā)電場，并且在激光束的焦點(diǎn)處，近紅外光的多光子吸收產(chǎn)生局域溫度場，其中兩種物理機(jī)制主使得光- LiNbO3疇發(fā)生相互作用，進(jìn)而控制鈮酸鋰晶體的三維疇結(jié)構(gòu)。該技術(shù)可以制備出超越現(xiàn)有技術(shù)水平的任意三維鐵電疇結(jié)構(gòu)。并且LiNbO3疇工程的分辨率可以低至30 nm。該工作以題為“Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains”的文章發(fā)表于Nature上。
利用這一技術(shù)，文中制備了兩個LiNbO3納米疇結(jié)構(gòu)作為例子。第一個是尺子形狀的疇納米片。尺子的框架水平寬度為1.3 μm，垂直高度為1.6 μm。這一子形狀的疇納米片是通過重復(fù)激光極化加工而成的。標(biāo)記的寬度分別為200nm、400nm和600nm。不同寬度的編輯則是這是通過采用不同移動距離d的激光寫入-擦除形成。此外，尺的厚度也可以通過逐行擦除工藝減少到200nm。另一個是是一個廣角非線性衍射光柵，它是通過交替使用激光筆和激光橡皮所制備，制備的結(jié)構(gòu)域尺寸為250 nm，周期為500 nm。證明該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)納米尺度的疇納米片的制備。
對LiNbO3鐵電疇的高分辨率可重構(gòu)操作可以顯著提高控制非線性光相互作用的能力，以實(shí)現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換和窄線寬量子糾纏的產(chǎn)生。除了光學(xué)，納米疇工程技術(shù)還為實(shí)現(xiàn)高性能鐵電疇壁納米電子器件鋪平了道路，可以應(yīng)用于高容量可重寫非易失性存儲器。此外，人們可以通過這一技術(shù)制造納米級LiNbO3域陣列來組成超過10 GHz的高頻聲諧振器和濾波器。
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