一種產(chǎn)生可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光的裝置的制作方法

本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生可見至紅外波段的極寬帶、超連續(xù)激光的裝置及相應(yīng)的非線性激光晶體的制作方法。

背景技術(shù)：

自激光產(chǎn)生以來，激光在工業(yè)、醫(yī)療、通訊、國防等各個領(lǐng)域有巨大而廣泛的應(yīng)用和價值，如激光加工、探測、遙感、成像、眼科手術(shù)、紅外夜視成像、激光武器、受控核聚變等。在過去幾十年中，激光技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展。然而，激光輸出的頻率收到增益介質(zhì)能級的限制，并不能產(chǎn)生任意頻率的輸出。為了獲得所需頻率的激光，人們往往需要利用非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)（倍頻、和頻、差頻、參量放大等）來拓寬激光頻率。

其中，最需要解決的是非線性過程中的相位匹配問題，然而由于非線性材料中存在色散效應(yīng)，相位匹配通常不能得到自動滿足。在實(shí)際應(yīng)用中，人們通常利用晶體的雙折射特性對晶體的色散進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到相位匹配的目的。然而，雙折射匹配存在走離效應(yīng)、非線性系數(shù)小等局限性，使得其實(shí)際應(yīng)用受到限制。

為了解決這個難題，人們提出了非線性光子晶體（即非線性系數(shù)的符號具有周期性變化的人工微結(jié)構(gòu)晶體材料）的概念，以此來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配。準(zhǔn)相位匹配技術(shù)是通過周期性地改變晶體的自發(fā)極化方向來重新安排光波相位，從而補(bǔ)償非線性過程中的相位失配，它大大增加了二階非線性過程的靈活性和可控性，以嶄新的思想方法開創(chuàng)了非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)革命性的新階段，也大大推動了激光技術(shù)的發(fā)展。

非線性光子晶體的制備需要使用鐵電晶體材料，常見的有鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸氧鈦鉀晶體等。鐵電極化方向代表著非線性系數(shù)的正負(fù)符號（分別對應(yīng)于正疇和負(fù)疇），鐵電晶體的自發(fā)極化方向容易通過外加電場克服鐵電晶體內(nèi)部的矯頑場而發(fā)生倒轉(zhuǎn)，施加外加電場將能夠使得鐵電晶體的非線性系數(shù)改變符號（例如從正到負(fù)）。當(dāng)所施加的電場在空間上周期分布的時候，就能夠周期性調(diào)控鐵電非線性晶體內(nèi)部的非線性系數(shù)的正負(fù)分布，從而構(gòu)建出非線性光子晶體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配。

自準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的概念被提出以來，人們設(shè)計制備了多種多樣的周期、準(zhǔn)周期或非周期的非線性光子晶體來應(yīng)對多元化的非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用需求，比如說利用單塊非線性晶體同時實(shí)現(xiàn)兩個或者多個波長的準(zhǔn)相位匹配。由于現(xiàn)有的非線性光子晶體結(jié)構(gòu)無法同時對不同波長成分的多種非線性過程中的相位匹配條件進(jìn)行調(diào)控，這極大的限制了寬帶激光的非線性轉(zhuǎn)換過程的能量利用效率，也制約了非線性光學(xué)的技術(shù)向飛秒脈沖激光等超寬帶激光技術(shù)的應(yīng)用拓展，無法實(shí)現(xiàn)可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光的輸出。對于雙折射匹配技術(shù)，雙折射晶體能夠提供的相位匹配的帶寬更為有限的，一塊雙折射晶體只能對某個特定頻率的連續(xù)激光或者窄帶脈沖激光施加高效的非線性頻率轉(zhuǎn)換，因而無法獲得寬帶超連續(xù)的激光輸出。

超連續(xù)激光光源具有亮度高、功率強(qiáng)、頻率覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)科學(xué)、信息、醫(yī)療、環(huán)境檢測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。目前，國際上產(chǎn)生超連續(xù)激光光源的方法主要是利用光子晶體光纖與高功率的超短脈沖激光相互作用，通過各種三階非線性光學(xué)效應(yīng)來拓寬泵浦激光的頻率范圍，然而該方案仍存在轉(zhuǎn)換效率不高，其光譜展寬范圍僅在可見光譜波段或在紅外光譜波段，仍存在展寬不夠大的確定。此外，該方案中的超連續(xù)激光光源不是完全相干的激光光源，也就是說，在特定的窄帶里面輻射光是相干的激光，但是不同顏色的輻射光線之間沒有良好的相干性，這就限制了該光源的應(yīng)用范圍。比如說，沒法利用該超連續(xù)激光光源產(chǎn)生超短脈沖激光。

因此，當(dāng)前迫切需要一種轉(zhuǎn)換效率高、完全相干的、能夠產(chǎn)生可見至紅外波段的極寬帶、超連續(xù)激光的解決方案。更多信息請參考發(fā)明人在《物理》2016年第45卷第3期的一篇關(guān)于該技術(shù)的綜述性文章，“單塊非線性晶體的高次諧波產(chǎn)生及超寬帶超連續(xù)激光光源”。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是提供一種轉(zhuǎn)換效率高、完全相干的、能夠產(chǎn)生可見至紅外波段的極寬帶、超連續(xù)激光的解決方案。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種產(chǎn)生可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光的裝置，包括泵浦光源和非線性激光晶體，其特征在于，所述泵浦光源為中紅外飛秒脈沖激光光源（中紅外飛秒脈沖激光的頻率覆蓋一個中紅外波段，且該飛秒脈沖激光具有高峰值功率的特點(diǎn)，其峰值功率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過連續(xù)激光泵浦下的于晶體材料的光學(xué)損傷功率閾值，可到達(dá)GW/cm²的量級）；所述非線性激光晶體包括一系列的元胞，所述一系列元胞在光傳播方向上的長度沿著光傳播方向按照連續(xù)的啁啾變化而改變。

其中，所述非線性激光晶體根據(jù)公式∧(z) =∧₀／[1+(D_g∧₀ z／2π)]，用以確定每個所述元胞在z方向上的長度，其中z表示某一個元胞所對應(yīng)的z方向上的位置坐標(biāo)，z方向?yàn)樗龉鈧鞑シ较?，其中?sub>0為所述飛秒脈沖激光的中心波長所對應(yīng)的倍頻過程所需要的極化周期，D_g為啁啾度。

其中，所述的元胞對應(yīng)的z方向上的位置坐標(biāo)為該元胞的起始處的坐標(biāo)。

其中，所述極化周期∧₀、啁啾度D_g的數(shù)值組合使所述非線性激光晶體的倒格矢呈現(xiàn)為分布在不同位置的若干個倒格矢帶。

其中，所述的若干個倒格矢帶分別對應(yīng)于不同波段的寬帶超連續(xù)激光參與的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程，且每個倒格矢帶有效地補(bǔ)償具有連續(xù)頻譜分布的寬帶超連續(xù)激光參與的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程。

其中，所述的若干個倒格矢帶分別對應(yīng)于泵浦光波段的二次及高階次諧波的非線性頻率轉(zhuǎn)換，為這些非線性頻率轉(zhuǎn)換提供有效的相位補(bǔ)償，并且使得多個二次及高階次諧波的波段組合后能夠覆蓋可見光至紅外波段。

其中，所述非線性激光晶體采用鐵電晶體材料制作，所述鐵電晶體材料為鈮酸鋰晶體材料、摻鎂鈮酸鋰晶體或者鉭酸鋰晶體材料。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種非線性激光晶體的制作方法，包括下列3個步驟。

1）制備具有特定圖案的掩模板，該掩膜版上的圖案對應(yīng)于所述非線性激光晶體的一系列元胞；所述一系列元胞的在光傳播方向上的長度沿著光傳播方向按照連續(xù)的啁啾變化而改變。

2）在非線性激光晶體的表面旋涂光刻膠，將掩模板的圖案轉(zhuǎn)移并固化在光刻膠上。

3）將非線性激光晶體兩面分別與導(dǎo)電介質(zhì)接觸，然后通過導(dǎo)電介質(zhì)在晶體上下表面加上大于晶體矯頑場的電場，使得所述非線性激光晶體上沒有涂覆光刻膠的區(qū)域內(nèi)部極化方向逆轉(zhuǎn)，而保留有光刻膠的區(qū)域仍然保持原有的極化方向。

其中，所述[0018]步驟1）還包括：嘗試不同的極化周期∧₀、啁啾度D_g和長度L的數(shù)值組合，依據(jù)公式∧(z) =∧₀／[1+(D_g∧₀ z／2π)]，確定對應(yīng)于各種參數(shù)數(shù)值組合的元胞的極化周期序列，然后模擬出這些元胞極化周期序列所對應(yīng)的倒格矢帶組合，進(jìn)而模擬出最終輸出的激光的波段并優(yōu)選出參數(shù)數(shù)值組合，根據(jù)該參數(shù)數(shù)值組合所對應(yīng)的元胞極化周期序列確定掩膜版上的圖案。

其中，所述[0018]步驟1）還包括：分析每種倒格矢帶組合所提供的非線性過程的相位補(bǔ)償，進(jìn)而模擬出最終輸出的激光的波段，如果所模擬出的最終輸出的激光的波段連續(xù)且能夠覆蓋可見至紅外光譜波段，則判定對應(yīng)的參數(shù)數(shù)值組合符合要求，根據(jù)該參數(shù)數(shù)值組合所對應(yīng)的元胞極化周期序列確定掩膜版上的圖案。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列4個技術(shù)效果。

1、本發(fā)明能夠產(chǎn)生可見至紅外波段的極寬帶、超連續(xù)、完全相干的激光。

2、本發(fā)明的晶體具有結(jié)構(gòu)可控、易于制備、設(shè)計靈活的優(yōu)點(diǎn)。

3、本發(fā)明的激光產(chǎn)生裝置的能量轉(zhuǎn)化效率高、激光光譜超寬帶和超連續(xù)。

4、本發(fā)明的超連續(xù)激光產(chǎn)生裝置的器件尺寸小。

以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明一個實(shí)施例中的泵浦中紅外飛秒脈沖激光的光譜分布圖，泵浦光中心波長可由3214nm調(diào)制4101nm，平均功率均約為20mW。

圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的一種周期非線性光子晶體的分立倒格矢分布圖。

圖3示出了本發(fā)明一個實(shí)施例中的啁啾非線性光子晶體的設(shè)計示意圖。

圖4示出了本發(fā)明一個實(shí)施例中的非線性光子晶體的倒格矢帶分布圖；其中縱坐標(biāo)為有效的非線性系數(shù)，橫坐標(biāo)為倒格矢的數(shù)值。

圖5示出了本發(fā)明一個實(shí)施例的非線性光子晶體輸出激光的可見至紅外的光譜分布圖。

圖6示出了本發(fā)明一個實(shí)施例的啁啾鈮酸鋰非線性光子晶體輸出的激光光束的照片；為滿足專利文件的形式要求，需說明的是，該照片已轉(zhuǎn)換為黑白照片，其原圖是彩色圖片。

圖7示出了在非線性激光晶體的表面旋涂光刻膠，將掩模板的圖案轉(zhuǎn)移并固化在光刻膠上的示意圖。

圖8示出了通過導(dǎo)電介質(zhì)在晶體上下表面加上大于晶體矯頑場的電場，形成正負(fù)疇的交替分布的結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖9示出了基于上述實(shí)施例的方法制備的啁啾非線性光子晶體的在光學(xué)顯微鏡下的表面形貌圖。

圖10示出了圖9的啁啾非線性光子晶體的表面形貌的兩處局部放大圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供了一種產(chǎn)生可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光的裝置，該裝置包括中紅外飛秒脈沖激光光源和啁啾非線性光子晶體。其中，中紅外飛秒脈沖激光光源作為泵浦光源，該泵浦光源所提供的飛秒脈沖激光的頻率覆蓋了中紅外的一個區(qū)間段，且該飛秒脈沖激光具有高峰值功率的特點(diǎn)。本實(shí)施例中，泵浦光的中心頻率范圍為3214-4101 nm連續(xù)可調(diào)，譜寬約為550nm、其單脈沖能量為20 uJ，脈沖寬度約110 fs，脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，對應(yīng)的平均功率為 20 mW。該脈沖激光是一個完全相干的超寬帶的泵浦光。圖1示出了本實(shí)施例中的泵浦中紅外飛秒脈沖激光的光譜分布圖。本發(fā)明中，作為泵浦光的中紅外飛秒脈沖激光的單脈沖能量、脈沖長度、脈沖重復(fù)頻率、平均功率等參數(shù)，也可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

本實(shí)施例中，采用啁啾非線性光子晶體作為接收泵浦光并輸出可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光的非線性光子晶體。本文中，非線性激光晶體指具有激光變頻功能的非線性超晶格晶體。啁啾非線性光子晶體是在周期非線性光子晶體的基礎(chǔ)上，對極化周期施加合適的變化規(guī)則，即將極化周期的長度沿著光傳播方向施加連續(xù)的啁啾變化而形成的光子晶體。為便于理解，首先介紹周期非線性光子晶體。

傳統(tǒng)的周期非線性光子晶體由一系列的元胞周期性排列而成。每個元胞包含一個正疇和一個負(fù)疇。各個元胞在光傳播方向上的長度相等，例如各個元胞在光傳播方向上的長度均等于非線性光子晶體的晶格周期。周期非線性光子晶體的倒格矢為一系列周期間隔的分立線條，因此只能為某一個波長的激光的非線性頻率轉(zhuǎn)換提供有效的相位補(bǔ)償，分別稱為一階、二階、三階等等準(zhǔn)相位匹配。而準(zhǔn)周期非線性光子晶體由兩個元胞按照特定的準(zhǔn)周期方式排列而成，其倒格矢為兩套互相獨(dú)立的一系列分立線條，圖2示出了一種典型的周期非線性光子晶體的分立倒格矢分布圖。這種倒格矢分布只能同時為某兩個特定波長的激光的非線性頻率轉(zhuǎn)換提供有效的相位補(bǔ)償，所以準(zhǔn)周期非線性光子晶體不能應(yīng)用于寬帶激光（如飛秒脈沖激光）的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程。

本實(shí)施例的啁啾非線性光子晶體是在周期非線性光子晶體的基礎(chǔ)上，對極化周期施加合適的變化規(guī)則，即將極化周期的長度沿著光傳播方向施加連續(xù)的啁啾變化。本實(shí)施例中，啁啾非線性光子晶體由一系列的元胞構(gòu)成，其中各個元胞的負(fù)疇的長度保持不變，正疇的長度變化使得所述一系列的元胞的長度滿足啁啾變化的規(guī)則。圖3示出了本實(shí)施例中的啁啾非線性光子晶體的設(shè)計示意圖。參考圖3，建立坐標(biāo)系，以光子晶體的最左端（即泵浦光輸入端）激光的傳輸方向?yàn)閳D3中所示z方向。所述的極化周期的長度就是光子晶體的元胞在z方向上的長度（也可稱為寬度），一系列元胞在z方向上的長度沿著z方向按照連續(xù)的啁啾變化的規(guī)律而改變，此處“連續(xù)的啁啾變化”是光子晶體中的一系列元胞在z方向上的長度由小到大或由大到小地沿著啁啾變化的函數(shù)曲線取值。

從實(shí)際需求出發(fā)，先選定合適的泵浦光的中心波長所對應(yīng)的倍頻過程所需要的極化周期∧₀、啁啾度D_g和樣品長度L（即光子晶體長度），然后根據(jù)∧(z) =∧₀／[1+(D_g∧₀ z／2π)]，確定每個元胞在z方向上的長度，其中z表示某一個元胞所對應(yīng)的z方向上的位置坐標(biāo)。本實(shí)施例中，一個元胞對應(yīng)的z方向上的位置坐標(biāo)為該元胞的起始處的坐標(biāo)，例如第一個元胞的位置坐標(biāo)為0，第二個元胞的位置坐標(biāo)為，即第一個元胞與第二個元胞的分界線處的坐標(biāo)。

本實(shí)施例中，極化周期∧₀=2π/Δk₀，Δk₀=4π[n₂(λ₀)-n₁(λ₀)]/λ₀，λ₀是寬帶泵浦光波段的中心波長，n₁(λ₀)表示波長為λ₀的基頻光的折射率，n₂(λ₀)表示波長為λ₀的光的倍頻光的折射率。啁啾度D_g為2.8，樣品總長度為1.6cm。

具有上述結(jié)構(gòu)和參數(shù)的啁啾非線性光子晶體的倒格矢分布為若干個倒格矢帶，如圖4所示。每個倒格矢帶可有效地補(bǔ)償具有連續(xù)頻譜分布的寬帶超連續(xù)激光（如飛秒脈沖激光）參與的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程（如倍頻、和頻）。另外，若干個倒格矢帶可分別對應(yīng)于不同波段的寬帶超連續(xù)激光參與的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程（如倍頻和和頻）。

啁啾非線性光子晶體的所有倒格矢帶聯(lián)合作用，可滿足多個階次的非線性頻率上轉(zhuǎn)換過程，使得非線性高次諧波（2、3、4、5、6、7、8次諧波等等）的產(chǎn)生成為可能。倒格矢數(shù)值小的帶（即靠近坐標(biāo)縱軸的帶，例如B1帶）支持低階次的諧波轉(zhuǎn)換，而倒格矢數(shù)值大的帶（即遠(yuǎn)離坐標(biāo)縱軸的帶，例如B2-B5帶）支持高階次的諧波轉(zhuǎn)換。

由于上述光子晶體提供了多階次諧波產(chǎn)生過程所需要的準(zhǔn)相位匹配倒格矢帶，所以在晶體內(nèi)部經(jīng)過級聯(lián)的倍頻和和頻過程，比如基頻激光經(jīng)倍頻過程產(chǎn)生2倍頻的激光，基頻激光與2倍頻激光經(jīng)和頻過程產(chǎn)生3倍頻，等等。經(jīng)過多階次的頻率上轉(zhuǎn)換過程，從晶體出射端口同時輸出2-8次的諧波。

本實(shí)施例中，B1帶為泵浦光（基頻光）波段的倍頻提供有效的相位補(bǔ)償，從而得到倍頻光波段的激光，還為基頻光與倍頻光的和頻提供有效的相位補(bǔ)償，從而得到3次諧波的波段，還為基頻光與3次諧波的和頻以及倍頻光的倍頻提供有效的相位補(bǔ)償，從而得到4次諧波波段的激光。

B2帶為基頻光與4次諧波的和頻以及倍頻光與3次諧波的和頻提供有效的相位補(bǔ)償，從而得到5次諧波波段的激光。

B3帶與B2帶共同作用，為基頻光與5次諧波的和頻，倍頻光與4次諧波的和頻，以及3次諧波的倍頻提供有效的相位補(bǔ)償，從而得到6次諧波波段的激光。

B4帶與B3帶共同作用，為基頻光與6次諧波的和頻，倍頻光與5次諧波的和頻，以及3次諧波與4次諧波的和頻提供有效的相位補(bǔ)償，從而得到7次諧波波段的激光。

B5帶與B4帶共同作用，為基頻光與7次諧波的和頻，倍頻光與6次諧波的和頻，3次諧波與5次諧波的和頻，以及4次諧波的倍頻提供有效的相位補(bǔ)償，從而得到8次諧波波段的激光。

上述每一級諧波都是一個完全相干的飛秒脈沖激光，涵蓋一定的帶寬，其中4-8次諧波綜合起來涵蓋了400-900 nm的可見光頻譜范圍，中間沒出現(xiàn)空白頻譜（即強(qiáng)度為零）的波段。另外，二次諧波和三次諧波占據(jù)了近紅外波段。使得2-8次諧波總體輸出的光譜涵蓋可見和紅外波段的極寬帶、超連續(xù)的激光光譜400-2200nm。

作為以上分析的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖1所示，通過改變泵浦飛秒脈沖激光的中心波長，可以調(diào)整各級諧波的峰位的波段，使得2-8次諧波輸出的光譜能夠覆蓋400-2200nm的可見光至紅外波段。因此，利用本實(shí)施例的中紅外的飛秒脈沖激光（基頻光）與啁啾非線性光子晶體相互作用，能夠產(chǎn)生完全相干的可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光。

本實(shí)施例中，啁啾非線性光子晶體采用鈮酸鋰晶體材料制作。鈮酸鋰是一種綜合性能優(yōu)良的鐵電非線性晶體材料，非線性系數(shù)大，透明范圍為310-5000nm，涵蓋紫外、可見、近紅外和中紅外波長范圍。在其他實(shí)施例中，啁啾非線性光子晶體還可以采用摻鎂鈮酸鋰晶體或者鉭酸鋰晶體材料制作。

進(jìn)一步地，圖5和圖6示出了本實(shí)施例的樣品的輸出的可見至紅外波段激光的光譜，可以看出，通過調(diào)整泵浦光的中心波長，輸出激光的波長能完全覆蓋400-2200nm波段。光束的顏色照片如圖7所示，可以看出所輸出的激光為白光，樣品輸出光束的形態(tài)保持了泵浦光的形狀，為圓形的高斯光束。啁啾非線性光子晶體所輸出的脈沖激光為高性能的完全相干的可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光。

本實(shí)施例中，啁啾非線性光子晶體的可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光輸出功率為2.5-8.69mW左右，單脈沖能量為2.5-8.69uJ?？紤]到晶體入射和出射端口的不完全透射效率（74%），泵浦的中紅外脈沖激光經(jīng)過啁啾非線性光子晶體轉(zhuǎn)換為可見至紅外波段極寬帶、超連續(xù)激光的效率為48.9-73.4%，遠(yuǎn)高于其他的方案，比如光子晶體光纖超連續(xù)光源。

需要說明的是，目前流行的光子晶體光纖超連續(xù)光源，由于光纖長度為1米左右，而且光纖包含復(fù)雜的多孔微納結(jié)構(gòu)，沿光纖方向的幾何結(jié)構(gòu)存在較大的不均勻性（遠(yuǎn)大于鈮酸鋰晶體材料），比如孔側(cè)壁存在很多凹凸起伏的細(xì)微納米結(jié)構(gòu)，對光波有強(qiáng)烈的漫散射作用。在如此長距離的過程中發(fā)生的多種三階非線性相互作用（自相位調(diào)制、四波混頻、拉曼散射等等過程），沒有辦法保持泵浦脈沖激光的相干性，使得所產(chǎn)生的超連續(xù)光源的相干性遠(yuǎn)差于泵浦脈沖激光的相干性，也遠(yuǎn)低于本實(shí)施例的泵浦脈沖激光與鈮酸鋰非線性晶體高次諧波相互作用所產(chǎn)生的超連續(xù)激光的相干性，此外，該方法對激光光譜的展寬能力有限，無法產(chǎn)生本實(shí)施例中寬譜超連續(xù)激光。因此該種超連續(xù)光源本質(zhì)上是部分相干的激光光源，不是真正意義上的完全相干的激光光源。而本實(shí)施例中，僅利用單塊非線性晶體就成功實(shí)現(xiàn)了高效的完全相干的可見至紅外波段的極寬譜超連續(xù)激光。

如前文所述，在前述實(shí)施例中，啁啾非線性光子晶體由一系列的元胞構(gòu)成，其中各個元胞的負(fù)疇的長度保持不變，正疇的長度變化使得所述一系列的元胞的長度滿足啁啾變化的規(guī)則。這種啁啾非線性光子晶體結(jié)構(gòu)并不是唯一的。例如，在另一個實(shí)施例中，各個元胞的正疇的長度不變，負(fù)疇的長度變化使得所述一系列的元胞的長度滿足啁啾變化的規(guī)則。

另外，如前文所述，啁啾非線性光子晶體的倒格矢分布為若干個倒格矢帶，這些倒格矢帶的設(shè)計方案并不是唯一的，其中，帶的寬度（即帶寬）和帶的中心位置，以及帶-帶間隔可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)，只要這一系列的倒格矢帶能夠分別對應(yīng)于泵浦光（即基頻光）波段的二次及高階次諧波的非線性頻率轉(zhuǎn)換（例如倍頻、和頻等），為這些非線性頻率轉(zhuǎn)換提供有效的相位補(bǔ)償，并且使得多個二次及高階次諧波的波段組合后能夠覆蓋整個可見至紅外400-2200nm波段，即可獲得完全相干的寬帶超連續(xù)激光。

進(jìn)一步地，根據(jù)上述的工作原理，本發(fā)明的一個實(shí)施例中還提供了一種利用外加電場極化方法制備啁啾非線性光子晶體的方法，其主要的過程如下。

（1）利用電子束刻蝕技術(shù)制備啁啾非線性光子晶體的圖案掩模板。該掩膜版上的圖案對應(yīng)于一系列元胞，這些元胞在z方向上的長度能夠形成連續(xù)啁啾變化。并且，這些元胞對應(yīng)的多個倒格矢帶能夠分別對中紅外波段的飛秒脈沖激光的多種非線性變化提供有效的相位補(bǔ)償，使得通過多種非線性變化產(chǎn)生的多種高次諧波的波段能夠完全覆蓋可見光波段。

在一個例子中，可以嘗試不同的極化周期∧₀、啁啾度D_g（即光子晶體長度）等參數(shù)的組合，依據(jù)前述公式∧(z) =∧₀／[1+(D_g∧₀ z／2π)]，確定對應(yīng)于各種參數(shù)組合的元胞極化周期序列，然后模擬出這些元胞極化周期序列所對應(yīng)的倒格矢帶組合，分析這種倒格矢帶組合所提供的非線性過程的相位補(bǔ)償，進(jìn)而模擬出最終輸出的激光的波段。如果最終輸出的波段連續(xù)，且能夠覆蓋可見光波段，則判定對應(yīng)的參數(shù)組合符合要求，根據(jù)該參數(shù)組合所對應(yīng)的元胞極化周期序列確定掩膜版上的圖案。

（2）利用紫外曝光技術(shù)將掩模板的圖案轉(zhuǎn)移在覆蓋鈮酸鋰晶片表面的絕緣光刻膠上。經(jīng)過顯影和定影的過程，圖案固化在光刻膠上，然后在圖案上面涂覆良導(dǎo)體，形成與啁啾非線性光子晶體圖案相一致的電極。

實(shí)際操作如圖8所示，首先在非線性晶體3（即非線性光子晶體）的一面旋涂一層光刻膠層2，光刻膠經(jīng)過加熱烘干后，再利用紫外曝光技術(shù)，用紫外光對放在樣品上方的掩模板1進(jìn)行照射，如果光刻膠2為正膠（或負(fù)膠），則透光部分（或不透光部分）的光刻膠經(jīng)過顯影、定影后將會被去除，這樣就能將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠層上。

（3）如圖9所示，將非線性晶體3兩面分別與導(dǎo)電介質(zhì)4接觸，然后通過導(dǎo)電介質(zhì)4在晶體兩面加上大于該非線性晶體材料矯頑場的電場，就會形成正負(fù)疇的交替分布，圖中白色區(qū)域32表示正疇，黑色區(qū)域31表示負(fù)疇。其中，晶體上沒有光刻膠21的區(qū)域能通過電流，外面施加的電壓作用在晶體材料上，使得極化方向逆轉(zhuǎn)。而保留有光刻膠21的區(qū)域在導(dǎo)電介質(zhì)4與非線性晶體3間有作為絕緣層的光刻膠21隔離，無法積累電荷，沒有電壓作用在非線性晶體3上，故非線性晶體3對應(yīng)的區(qū)域仍然保持原有的極化方向和非線性系數(shù)的符號。這樣，就形成了正負(fù)疇的交替分布的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，每對正負(fù)疇組成一個元胞，一系列的元胞的長度滿足啁啾變化的規(guī)則。

圖10示出了基于上述實(shí)施例的方法制備的啁啾非線性光子晶體的在光學(xué)顯微鏡下的表面形貌圖。圖中的線條為光學(xué)顯微鏡下相鄰正、負(fù)疇間的分界線。圖10示出了圖9的啁啾非線性光子晶體的表面形貌的兩處局部放大圖，其中l(wèi)₊和l_- 分別表示正疇和負(fù)疇在光傳播方向上的長度。

最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對本技術(shù)方法進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其它的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因此認(rèn)為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。