中国科学技术大学工程科学学院微纳米工程实验室吴东教授、褚家如教授课题组和南京大学固体微结构国家重点实验室张勇教授、肖敏教授、祝世宁院士课题组合作，利用飞秒激光加工技术，在铌酸锂（LiNbO3）晶体中首次成功制备三维非线性光子晶体（Nonlinear Photonic Crystal，简称 NPC）,并验证了三维空间准相位匹配，解决了制备三维NPC的技术瓶颈。近日，他们又首次将三维NPC应用于高效非线性全息成像，并实现了多路复用。该成果为三维非线性光子晶体在光通讯，高维纠缠源等领域的应用奠定了基础。相关工作以“Quasi-phase-matching-division multiplexing holography in a three-dimensional nonlinear photonic crystal”为题发表在Light: Science & application上。
图1 3D NPC的设计
通过对三维非线性光子晶体结构设计，在倒空间中存储多幅全息图像，并通过调谐波长的方式选择不同位置的倒格矢参与准相位匹配，实验演示了基于准相位匹配的全息复用技术。三维非线性光子晶体结构通过三维迭代傅里叶变换算法设计，对于给定三维倒格矢分布可以计算得到实空间三维相位全息图，然后通过迂回相位编码的方法，利用飞秒激光直写技术加工三维非线性光子晶体结构（以上工作在工程与材料科学实验中心微系统平台完成）。基于三维非线性光子晶体的准相位匹配全息复用能够提高非线性全息的存储容量和安全性，同时增强非线性频率转换效率。
图2 三波长全息复用实验展示
三维NPC高效的非线性全息成像展现其非线性光波的精确三维操纵的功能，可以进一步扩展至高维光子纠缠态的产生等。不仅如此，百微米尺寸的三维NPC同时具有频率转换和光场调控功能，也将是光子芯片上集成光源的最佳选择之一。
陈鹏程博士、汪超炜博士、魏敦钊副教授和胡衍雷副教授为共同第一作者，通讯作者为吴东教授，张勇教授，和肖敏教授。该项研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持，感谢工程与材料科学实验中心微系统平台提供飞秒激光三维非线性光子晶体加工帮助。