04-06为高结晶度和微尺度微晶尺寸的NIG复合材料

[上图]用光学显微镜(左图)和透射电子显微镜(右图)拍摄了嵌入LiNbO的玻璃复合材料3.。中国的研究人员发现这种复合材料具有独特的非线性光学响应,这在大块材料中是罕见的。来源:三周


随着数据驱动材料的发现和设计在美国,越来越多的人要求信息技术收集越来越多的高分辨率数据,并在更短的时间内处理这些数据。幸运的是,有一门科学学科专门适合解决前一部分的需求——非线性光学领域。

非线性光学是在非线性关系的基础上研究各种有趣的物理现象。“非线性”是指变量之间不存在直接或直线关系。换句话说,与触发它的外力相比,非线性材料和过程的响应是不成比例的。

例如,聚合物被认为是非线性材料,因为它们表现出不成比例的应力-应变响应——当达到一定的应力时,材料屈服而不是断裂。由于显而易见的原因,非线性材料在某些应用中非常有用,因为它们能承受会导致其他材料失效的苛刻条件。

如上应力-应变曲线图所示,玻璃等脆性材料由于其应力-应变响应的直接关系而被认为是“线性的”。相比之下,弹性材料如橡胶被认为是完全“非线性的”,而延性材料如结构合金和软金属在某一点之前表现出线性行为,之后它们的响应变成非线性。信贷:库尔特Gramoli(CC BY-NC-ND 4.0)

在非线性光学的情况下,非线性光学过程称为二次谐波产生因其具有高分辨率成像的能力而受到高度研究。在这个过程中,也被称为倍频,光子与非线性材料相互作用,将“结合”形成新的光子,频率是初始光子的两倍。这种现象允许产生低功率和紧凑的光源,这些光源的波长通常需要更多的功率和更大的设备。

因为二次谐波的产生1961年确定,现在有许多商业设备根据这种现象可以购买。这些器件主要使用各种晶体作为非线性材料。然而,研究人员已经开始探索使用玻璃中纳米晶体复合材料的潜力。

纳米玻璃内晶体复合材料是由嵌在玻璃基体中的微小晶体组成的。这些复合材料已经成为玻璃和晶体的替代品显示应用程序因为一些优越的光学特性。例如,含有高石英纳米晶的玻璃内纳米晶复合材料在0-50°C的较宽温度范围内具有零热膨胀,这使其成为理想的光学镜毛坯ultrastable太空望远镜

一些玻璃内纳米晶体复合材料,比如那些嵌入LiNbO的材料3.和LiNb0.5助教0.5O3.是非线性材料,因此在二次谐波产生装置中有应用潜力。然而,一个最近的研究中国的研究人员透露,这些复合材料可能有以前没有意识到的额外潜力。

研究人员由教授领导三周华康余来自华南理工大学。最初,他们的目标是研究具有不同域结构的纳米玻璃晶体复合材料在反向传播激光方案下的非线性光学响应,即两束激光从相反的方向进入复合材料并相互作用的方案。(读这篇论文来了解为什么反向传播光束结构经常被用于非线性光学。)

而非线性光学响应在林波的某些区域3.正如预期的那样,研究人员在微结构图的一个极端区域惊奇地观察到一个局部且较亮的信号——当两束激光中的任何一束被阻挡时,这个信号就消失了。

“奇怪的是,当任何一个脉冲被阻塞时,这个更亮的信号会消失,而背景二次谐波仍然存在,”周在一封电子邮件中解释道。

他们认识到,较亮的信号一定是由于一种称为横向二次谐波产生的特殊非线性响应。横向二次谐波发电不同于标准二次谐波发电有两个重要的方面。

  1. 相匹配的模式:标准的二次谐波光子从相同的脉冲产生,而横向的二次谐波光子从相反传播的脉冲产生。
  2. 产生条件:实现标准二次谐波产生的唯一要求是满足相位匹配条件,即尽量减少传播方向上相互作用波之间的不匹配。横向二次谐波的产生除了要求相位匹配条件外,还要求反向传播的脉冲在时间和空间上发生重叠。

这种来源上的差异意味着标准二次谐波和横向二次谐波的表现也不同。在基波通过的任何位置都可以很容易地观察到标准二次谐波产生的信号,而横向二次谐波产生的信号只能在反向传播脉冲重叠的位置观察到。

在纳米玻璃晶体复合材料中发现的横向二次谐波现象是令人惊讶的,因为这种现象通常在低维非线性材料-在大块非线性材料中看到它是罕见的。然而,它在微结构非线性光子玻璃中首次被发现的事实是令人兴奋的,因为它在应用方面提供了什么。

“标准的二次谐波产生通常用于激光频率转换,”周说。相比之下,由于横向二次谐波产生信号反映了基本脉冲的时域信息,“该信号可用于飞秒时间尺度超短光脉冲的脉冲群速度和脉冲宽度测量。”

脉冲群速度和脉宽是光学应用中至关重要的两个值,因此能够测量这些值可以提高许多光学器件的性能。例如,我们可以设计能够在更远的距离上传输更高带宽信号的光纤电缆。

而本研究的重点是嵌入LiNbO的纳米玻璃晶体复合材料3.“值得注意的是,该策略应该适用于广泛类别的纳米颗粒玻璃复合材料,”周说。他补充说,研究人员目前正在开发一种新的制造策略,以进一步将纳米玻璃晶体复合材料扩展到更极端的区域,他们正在探索复合材料在其他独特性能和新的实际应用方面的潜力。

论文发表在先进材料,是“通过域控制控制玻璃内纳米晶体复合材料的非线性光学响应”(DOI: 10.1002 / adma.202006482)。

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