飞秒激光制备周期极化结构，实现光子对输出

集成量子光子技术在量子通信、量子计算及量子精密测量等领域都具有广阔的应用前景。单模、高纯度的集成单光子源或纠缠光源是完成这些量子协议的必要条件和关键技术之一。铌酸锂集成平台具有良好的二阶非线性，通过自发参量下转换过程可以有效产生光子对。借助于周期极化结构，也被称为铁电畴工程技术，可以实现准相位匹配，从而进一步提高量子光源的产生效率。

传统的周期极化制备方法是电场极化，通过在晶体表面的图案化电极上施加外部极化场，从表面反向畴开始成核并逐渐形成周期性畴反转。这种技术需要掩模板和光刻技术来设计极化结构，工艺相对复杂。飞秒激光为铁电晶体中准相位匹配结构的制备提供了一种灵活的方法，激光束可以聚焦在透明介质内的不同深度，加工出三维非线性光子晶体，这对于电场极化是一个巨大的挑战。飞秒激光极化能够精确控制局域畴结构，在非线性光束整形和全息术中具有重要应用。

图2 关联光子对产生及测量实验装置示意图

南开大学物理科学学院李勇男教授研究组与澳大利亚国立大学盛艳教授合作，利用飞秒激光在钛扩散铌酸锂波导中制备了周期极化结构，并实现了关联光子对输出，该方法具有简单灵活优势，可用于集成量子光源。相关成果发表在Chinese Optics Letters第21卷第4期上(F. Dai, et al., Photon Pair Generation in Lithium Niobate Waveguide Periodically Poled by Femtosecond Laser)，并被选为当期封面。

封面中左端入射光为飞秒激光，透明状长方体为铌酸锂波导结构，右端的双光子为输出的关联光子对，绿色矩阵结构为制备的周期极化结构。封面主要展示了利用飞秒激光加工技术，在钛扩散铌酸锂波导中实现无掩模周期极化结构制备。

用于制备畴反转的激光参数为：中心波长800 nm，脉冲宽度180 fs，重复频率76 MHz，单脉冲能量高达5 nJ。激光焦斑从铌酸锂晶体 −Z面向 +Z表面扫描，平均扫描速度约为10 μm/s。在x和y方向上的平均极化周期分别为2.74 μm和1.15 μm。周期极化波导在基频波的传输损耗约为0.1 dB/cm。当基频光输入功率为40 mW（峰值功率为3.6 kW）时，获得了4.4 mW的二次谐波，转换效率为10.1%。在平均泵浦功率为3.2 mW情况下，光子符合率达到约8000 Hz。该项工作证明了飞秒激光制备的非线性光子结构应用于集成量子光源的可行性。

通过优化飞秒激光焦场的强度分布，该方法可用于薄膜铌酸锂的周期极化。此外，该方法还可以扩展到三维极化结构，为控制更丰富的双光子空间自由度纠缠态提供了新平台。

李勇男教授2007年在南开大学获得博士学位，2015~2017年美国加州大学洛杉矶分校做访问学者，主要从事光场调控和量子光学方面的研究工作，包括矢量光场调控，高维量子纠缠及光子芯片等。在Science Advances、Physical Review Letters、Optica等国际期刊共发表学术论文90余篇。

盛艳教授2007年在中国科学院物理研究所获得博士学位，2005~2010年在德国马普学会高分子研究所任博士后，2010~2019年在澳大利亚国立大学任研究员，2019年入职宁波大学。长期从事非线性光学与超快激光技术研究，在Nature Photonics、Nature Communications、Optica、Laser & Photonics Review、Advanced Optical Materials、Applied Physics Letters、 Optics Letters和Optics Express等国际光学领域知名期刊发表论文60多篇。