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非互易近紅外激光寫(xiě)入技術(shù),納米級(jí)分辨率
  發(fā)布日期:2022-09-22

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(xiě)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(chǎng)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(xiě)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(xiě)入方向。其基本原理為激光誘發(fā)電場(chǎng),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(chǎng),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(gè)LiNbO3納米疇結(jié)構(gòu)作為例子。第一個(gè)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(guò)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(guò)采用不同移動(dòng)距離d的激光寫(xiě)入-擦除形成。此外,尺的厚度也可以通過(guò)逐行擦除工藝減少到200nm。另一個(gè)是是一個(gè)廣角非線性衍射光柵,它是通過(guò)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(duì)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(xiě)非易失性存儲(chǔ)器。此外,人們可以通過(guò)這一技術(shù)制造納米級(jí)LiNbO3域陣列來(lái)組成超過(guò)10 GHz的高頻聲諧振器和濾波器。

全文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05042-z

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