非线性光子晶体能够实现高效的非线性光学过程，其制备手段吸引了该领域研究者的高度关注。飞秒激光加工技术具有极高的精度、分辨率和灵活性，相比传统的非线性结构制备工艺具有独特的优势。总结归纳了利用飞秒激光加工技术构建非线性光子晶体的研究进展，并对涉及的准相位匹配原理进行了简要介绍。讨论了飞秒激光反转铁电畴和擦除非线性系数的加工机理，论述了这两种方式在多种维度非线性光子晶体加工方面的实验成果和应用。最后分析了目前飞秒激光加工非线性光子晶体所遇到的挑战，并展望了未来的发展前景。

提出一种在非线性光子晶体中实现非线性衍射高阶次谐波的方案。基于观察到的多个锥形四次谐波,理论分析了实现五次谐波和六次谐波的可行性。当仅有一种激光光束入射到非线性光子晶体中时,可观察到红、绿和蓝锥形光的同时输出,这可为环形三基色、连续环形谐波以及环形白色光源的实现提供参考。其中,蓝色锥形光波可能源于有倒易矢量参与的级联五次非线性衍射谐波过程。同一基频波长下非线性切伦科夫五次谐波的辐射锥角均大于低阶次谐波的辐射角,且不同基频波长下的非线性切伦科夫五次谐波存在最小的辐射锥角。当入射基频波长为3319.5 nm时,五次谐波中e光的形成过程为非线性布拉格衍射,这可为六次非线性衍射谐波的产生提供有利条件。

最近十几年来,随着飞秒激光技术及非线性晶体制备技术的逐渐成熟,非线性光学频率变换技术得到了飞速发展。非线性光学频率变换技术的研究旨在突破激光增益介质发射谱线的限制,使激光器输出波长拓展至传统激光器所无法直接输出的波段范围,以满足更加广泛的科研及应用需求。到目前为止,非线性频率变换技术是获得多波长和可调谐飞秒激光的最简捷有效的途径。近些年来,本研究室在研究光纤飞秒激光器的基础上,开展了基于掺Yb ³⁺光子晶体光纤飞秒激光系统抽运不同介质的非线性频率变换研究,主要包括:基于块状晶体的光学参量振荡(OPO)技术、基于砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换、基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生。简要介绍国内外相关研究成果,重点综述了本研究室近五年来在上述研究领域的科研成果,分别介绍了OPO技术、砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换和基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生技术的基本原理、研究进展以及前沿应用。

线性光子晶体中可获得较低的慢光速度是以牺牲带宽为代价的。本文通过在光子晶体圆环型腔内加入克尔型非线性材料, 分别构建以三角晶格和正方晶格排列的非线性环型腔线缺陷波导, 利用有限元法对其慢光特性进行了仿真模拟。结果表明: 正方晶格具有更好的慢光效应, 获得的最佳慢光群速度为0.0055c, 在保证10-3c慢光条件下, 可达到0.001的相对带宽; 与线性光子晶体线缺陷耦合腔波导相比, 带宽提高了两倍, 实现了具有低群速度、高带宽特性的慢光效果, 对进一步发展光子晶体的光缓存有着重要意义。

采用克尔型非线性材料为光子晶体的介质柱, 构建线缺陷耦合腔波导。利用非线性有限时域差分法(NL-FDTD)进行模拟仿真, 并获得最佳宽带慢光效果。当群速度达到10-2数量级时, 带宽为0.0920, 比线性光子晶体耦合腔波导慢光带宽提高五倍, 而且群速度色散降低两个数量级, 实现了低群速度下更宽带宽和更低色散的慢光波导。

将钛宝石激光器产生的飞秒激光脉冲泵浦实验室自制的高非线性双折射光子晶体光纤,脉冲的中心波长为820 nm,位于光子晶体光纤的接近于零色散的反常色散区.实验结果表明：随着泵浦功率的增加,一阶孤子的中心波长发生了红移,同时产生的色散波的中心波长则发生蓝移进入可见光区.当泵浦功率达到0.45 W时,色散波与残余泵浦的输出功率比为42.67,色散波的带宽达到81 nm,而处于近红外波段的红移孤子带宽可达231 nm.利用高非线性光子晶体光纤产生近红外波段宽带孤子和可见区高效色敬波的实验对飞秒激光频率转换和光谱展宽具有很好的借鉴意义.

采用外加高压脉冲电场的方法制备了二维谢尔宾斯基分形超晶格结构铌酸锂(LiNbO3)非线性光子晶体，对晶体中的准相位匹配和切伦科夫辐射谐频等光学特性进行了实验和理论研究。理论推导出了晶体中的准相位匹配倍频与不同阶次的倒易矢量间的对应关系，与实验结果吻合。对于同一个倒易矢量，可以实现两种波长的准相位匹配倍频。同时，实现了近红外波段的共线和非共线三倍频输出。理论计算出不同波长下的切伦科夫辐射倍频和三倍频的辐射角，与实验测量结果相吻合。在特定波长下，切伦科夫辐射谐频光环的辐射角存在最小值。同一个波长下，切伦科夫辐射三倍频的辐射角总是大于倍频的辐射角。

根据超晶格结构的激光衍射图, 提出了一种定量确定倒易矢量分布的实验方法.首先, 将正方形周期超晶格结构作为参考光栅, 得到其衍射图.根据傅里叶光学理论, 计算出基本倒易矢量的大小, 与衍射图上的几何长度建立标尺关系.通过引入矩形超晶格结构, 证明了该方法在周期超晶格结构中的可行性.其次, 将H型和谢尔宾斯基分形超晶格结构作为光栅, 获得的衍射图与正方形结构衍射图进行对比.由衍射点间的几何长度比值, 推算出分形衍射图中的倒易矢量分布.根据倒易矢量和准相位匹配谐频的基频波长之间的定量关系, 理论计算出能够进行的谐频波长.最后, 实验制备分形结构LiNbO3非线性光子晶体, 探测准相位匹配倍频, 所实现的倍频波长与理论计算值相吻合.谢尔宾斯基分形结构光栅在理论与实验上均可实现1.352 μm的有效倍频输出.

设计了一种新型的高非线性低损耗光子晶体光纤(PCF), 在1.55μm处可获得35.78W-1·km-1的高非线性系数, 损耗为2.5dB/km。提出了一种基于高非线性光子晶体光纤交叉相位调制的波长转换系统, 当泵浦光波长为1565nm、功率为0dBm, 信号光波长为1545nm、功率为10dBm, 滤波器波长为1565.2nm、带宽为0.1nm时, 得到最佳的波长转换效应。

利用准相位匹配技术，在一块具有二维高对称性超晶格的铌酸锂非线性光子晶体中，实现了930~1307 nm激光波长区间中红、橙、黄、绿、蓝等至少5个波段的非共线准相位匹配倍频光斑对。入射基频波长由1118.8 nm下降约52 nm的过程中，除了在波长为1081.4 nm时产生的一个共线倍频光斑，其他波长均为一对非共线倍频绿光斑。入射光波长为1234.5 nm时，屏幕上至少有三对黄色光斑。当基频波长由1306.1 nm减小为1302.6 nm时，非共线倍频红色光斑对之间的间距由3.5 mm增加为5.5 mm，且非共线光斑呈现三角形形状。