近红外飞秒脉冲两步辐照实现铌酸锂晶体全光学偏振反转的机理研究与应用

（编辑推荐）本研究创新性地提出采用近红外飞秒脉冲两步辐照法（two-step illumination）在铌酸锂（LiNbO3）晶体中实现全光学极化反转。通过紧聚焦激光诱导损伤位点提供畴核（domain nuclei），再经松聚焦激光促进畴生长，结合二次谐波显微术（SHM）和化学蚀刻揭示动力学过程。该方法无需外电场或热处理，为三维非线性光子晶体（3D NPCs）和超精密铁电器件制备提供了新思路。

　　

Highlight

我们提出了一种在铌酸锂（LiNbO₃）晶体中实现全光学极化反转的两步法：第一步采用紧聚焦的近红外飞秒激光（800 nm, 180 fs）在晶体内部诱导损伤位点作为畴核锚定位；第二步通过松聚焦激光辐照刺激畴结构扩展。二次谐波显微镜（SHM）成像显示，损伤位点周围伴随有微米级极化反转区域，而选择性化学蚀刻进一步验证了畴壁的定向生长特性。

Material and methods

实验使用500μm厚z切铌酸锂晶体，通过钛宝石激光器（Ti:sapphire, 76 MHz）产生飞秒脉冲。光束经快门、半波片和偏振器调控后，由NA 0.65物镜聚焦于三维纳米平移台上的样品内部。第一步采用高功率（紧聚焦）激光写入周期性损伤阵列，第二步改用低功率（松聚焦）激光进行全域辐照。

Results and discussion

两步法使畴结构的动态演化过程得以"切片式"观测：损伤位点处的初始畴核（<1μm）在低强度辐照下沿晶体c轴延伸形成10-20μm长畴链。值得注意的是，畴生长速度与激光功率呈非线性关系，当功率密度超过2.5 TW/cm²时会出现分枝现象。这种光致热电场（light-induced thermoelectric field）驱动的生长机制，为设计可编程畴图案提供了新维度。

Conclusion

该研究证实激光损伤位点可作为有效的畴 nucleation centers，而后续均匀光场能诱导定向畴扩展。这种无电极、无热处理的极化方法特别适用于制备多层非线性光子晶体（如准相位匹配器件），其定位精度达亚微米级，为集成光学和量子光源开发提供了新工具。