近期，Optics and Laser Technology 报道了南开大学刘洪亮副教授团队报道了南开大学刘洪亮副教授团队取得的新成果，相关工作“Broadband second harmonic generation from a cladding waveguide fabricated by ultrafast laser ablation in KTN crystal”为题发表于Optics and Laser Technology (2025, 191, 113349 )，作者展示了一种由飞秒激光在钽铌酸钾晶体中直写的，可产生宽带二次谐波的包层波导。这种基于飞秒激光直写的波导结构为铁电材料非线性效应的利用给予了强大工具，在相变调控方面具有高度灵活性，且能够实现宽带二次谐波产生，制造工艺简单且设计紧凑。

该工作利用瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予的长距离工作物镜，将飞秒激光聚焦于钽铌酸钾晶体内部实现了局部顺电-铁电相变并制备了一个可产生宽带二次谐波的包层波导。

近年来，二次谐波产生 （SHG） 引起了越来越多的研究兴趣，并在集成光学中发挥着重要作用。作为一种典型的二阶非线性，SHG 已广泛应用于纠缠光子源、光振荡器和光放大器等许多光学器件中。作为这些广泛应用的关键组成部分，制造基于二阶非线性的高效、紧凑的倍频转换器至关重要。钽酸铌酸钾晶体（KTa_1-xNb_xO₃，KTN）是钽酸钾和铌酸钾的固溶体，因此属于弛豫铁电体。它具有可控的居里温度，并在相边界附近表现出明显的弛豫特性。顺利获得施加适当的外场，可以实现增强介电效应、压电效应、二次电光效应和无光学标度传播等新现象。KTN晶体因其奇妙的特性而备受关注，尤其是其卓越的光学非线性响应。因此，它适合作为衬底，进一步研究其对二阶非线性的出色光学响应。

包层波导使用光纤飞秒激光器制备，参数为重复频率 25 kHz、脉冲宽度 400 fs、中心波长 1030 nm，晶体被放置在一个六维电动位移台上。在制造过程中，激光束顺利获得 50 × 显微镜物镜 （JCOPTIX， N.A. = 0.55） 聚焦到晶体内部，激光的单脉冲能量设置为 0.37 μJ，电动位移台的速度设置为 0.5 mm/s。波导的轨迹根据设计顺利获得移动晶体直接写入。在直写区域会诱导折射率的轻微降低。最后，具有低折射率且在不同深度处的平行激光刻线形成六边形包层波导，波导端面的显微照片如图 1（a） 的插图所示。芯层和包层之间的折射率差约为 0.07（±0.01）。KTN 晶体中的局部顺电-铁电相变是顺利获得 FLDW 技术实现的。由于飞秒激光具有较高的峰值功率，因此飞秒激光聚焦的 KTN 晶体内部局部区域将发生晶格变形，从而导致顺电-铁电相变。如图 1（b） 所示，相变的发生已经顺利获得波导端面的拉曼光谱和二维微拉曼光谱扫描成像得到验证。晶格结构的改变会导致振动模式的变化，从而导致光谱中拉曼声子模式的变化。由于常温高于该 KTN 样品的居里温度，因此未处理的块状区域呈现顺电相。相应地，波导刻线区域呈铁电相。对于弛豫铁电体，出现在相边界附近的极化纳米区（PNR）在顺电相背景下引入了局域铁电行为，这已经被以前的研究所验证。由于相位边界处的非线性极化率变化很大，因此特别适用于基于二阶非线性效应的倍频。此外，非线性极化率的调控给予了额外的倒格矢，以补偿准相位匹配条件下基频光和倍频光的波矢之间的差异。

瓦力棋牌瓦力顺利获得多种方式测试了波导的倍频性能。端面耦合系统用于测量输出 SHG 光场的强度分布。波长为 1030 nm，400 kHz 重复频率和 300 fs 脉冲宽度的光纤飞秒激光顺利获得显微镜物镜（10 ×，N.A. = 0.25）耦合到波导中，最后顺利获得成像物镜（50 ×，N.A. = 0.42）在 CCD 相机上成像。使用 1030 nm 半波片来调整飞秒激光的偏振。在成像物镜后放置截止波长为 750 nm 的低通滤光片，以阻挡 1030 nm 的基频光（FW）。由于二阶非线性极化强度与电场强度的平方成正比，飞秒激光的超短脉冲持续时间和超高峰值功率可以增强 SHG 现象。根据 CCD 取得的图 2（a）和（b），输出光场在入射光为 TE 和 TM 偏振时均表现出单模特征，证明了这一结构具有偏振无关特性。图 2（c） 表明 SHG 呈现精确的 515 nm 中心波长和窄线宽，这意味着波导符合准相位匹配条件，能够进行倍频。如图 2（d） 所示，功率计测量到的波导在 20 °C 时的斜效率为 1.5 ‰，而传输损耗在 515 nm 处为 10.7 dB/cm，在 1030 nm 处为 7.9 dB/cm。KTN 晶体在 515 nm 处的光损耗接近 50%，在近红外区域的透射率接近 80 %。

之后，端面耦合系统中的 1030 nm 飞秒激光被具有 40 MHz 重复频率和 6 ps 脉冲宽度的超陆续在光源替换，以验证波导的宽带倍频能力。图 3 所示的光谱表明，波导在 1100 nm 至 1600 nm 的宽带泵浦下，实现了 550 nm 至 750 nm 的宽带倍频，带宽为 200 nm，这意味着在波导的支持下，1100 nm 至 1500 nm 的带宽为 400 nm的基频光，可实现 100% 的倍频。宽带二次谐波产生主要依赖于具有多波长响应的准相位匹配。实验结果表明，尽管激光写入在加工过程中会导致一定的晶格损伤，但飞秒激光写入晶体引起的晶格膨胀仍然很明显。最终，这个过程增强了激光写入刻线周围的非线性极化率，因此可以满足不同波长倍频的准相位匹配条件。

本文报道了一种采用 FLDW 技术制造的六边形包层波导，在室温下基于二阶非线性在 KTN 晶体中取得 SHG。由于 KTN 晶体非线性特性的特殊性，顺利获得飞秒激光器实现了局部顺电铁电相变，并顺利获得不同温度的拉曼光谱进行了验证。端面耦合结果表明，在 1030 nm 飞秒输入激光器下，波导在 515 nm SHG 输出处实现了倍频性能，且具有无偏振依赖性的单模传输特点，斜效率接近 1.5 ‰。值得注意的是，在皮秒超陆续在光源的泵浦下，还实现了从 550 nm 到 750 nm 的宽带 SHG，带宽为 200 nm。因此，这项工作的设计和加工方法在未来可以应用于片上非线性器件的制造，并显示出巨大的潜力。

南开大学现代光学研究所2024级博士生艾斯文为本文第一作者，刘洪亮副教授为本文通讯作者。山东大学陈峰教授、贾曰辰教授、张彬助理研究员和博士研究生陈志翔对本文亦有重要贡献。研究工作得国家自然科研基金项目（12274236，12204274），以及山东省自然科研基金（ZR2024MA041，2022HWYQ047，ZR2022QA033）的支持。

作者特别感谢南京瓦力棋牌瓦力光学科技有限公司（JCOPTIX）的光学元件支持。