非线性光学晶体结构

本公开的实施例涉及一种非线性光学晶体结构。

背景技术：

1、非线性光学的研究真正开始于1961年，弗兰肯利用了波长为694nm的激光通过晶体石英，发现产生了347nm波长的倍频相干出射光，这是非线性光学二次谐波的首次实验。此后，随着激光技术的成熟以及非线性光学理论的进一步建立，非线性光学领域成为研究的热点。

2、非线性光学晶体是光学频率转换、脉冲压缩、超高功率激光以及超连续激光产生等激光技术的核心，在激光通讯、激光雷达等领域均有广泛的应用。随着光学技术的发展，探索新型光学晶体体系以满足高科技创新技术的需求是发展先进激光技术及设备的关键。目前成熟的非线性光学晶体包括bab2o4(bbo)、kbebof2(kbbf)、linbo3(ln)等。然而，为满足现代高速发展的信息通讯、高精产业以及工业建设，亟需探索小型化、宽光谱、高功率的新一代激光技术，探索新一代高性能光学晶体。

技术实现思路

1、虽然现有的非线性光学晶体可以实现非线性光的输出，但为了满足不断发展的信息通讯及其他高精产业的需求，还需进一步提高非线性光的增强效率。为了解决上述问题，本公开的实施例提供了如下所述的非线性光学晶体结构。

2、根据本公开的实施例提供一种非线性光学晶体结构，包括多个二维材料层，其中，所述多个二维材料层沿垂直于其二维平面的方向堆垛且彼此相邻的所述二维材料层之间通过范德瓦尔斯力接合，每个所述二维材料层为具有中心反演不对称晶体结构的晶体，且在平行于所述二维平面的方向上具有平行于所述二维平面的预定晶格方向，彼此相邻的所述二维材料层之间具有非零的偏转角，所述偏转角为相邻的所述二维材料层的所述预定晶格方向在同一所述二维平面内的夹角，每个所述二维材料层的厚度大于5nm。

3、在一些示例中，所述二维材料层的二次非线性光学效应的波矢失配为δk，所述非线性光学晶体包括n个所述二维材料层，其中，第m个所述二维材料层相对于第一个所述二维材料层的偏转角θm满足：

4、

5、其中，tn为第n个所述二维材料层的厚度，tm为第m个所述二维材料层的厚度，t1为第一个所述二维材料层的厚度，n为大于等于2的整数，n为大于等于1且小于等于n的整数，m为大于1且小于等于n的整数。

6、在一些示例中，所述多个二维材料层的厚度相等且分别具有厚度t，第m个所述二维材料层相对于第一个所述二维材料层的偏转角θm满足：

7、

8、在一些示例中，每个所述二维材料层的厚度小于或等于相干长度lc，所述相干长度lc为非线性光在所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体中实现增强的特征距离。

9、在一些示例中，相邻的所述二维材料层之间的偏转角小于或等于60度。

10、在一些示例中，所述多个二维材料层中的至少一个二维材料层的厚度大于相干长度lc，所述相干长度lc为非线性光在所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体中实现增强的特征距离。

11、在一些示例中，对于所有m值，第m个所述二维材料层相对于第(m-1)个所述二维材料层的偏转方向均相同。

12、在一些示例中，所述多个二维材料层的总厚度为相干长度lc的整数倍，所述相干长度lc为非线性光在所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体中实现增强的特征距离，相邻的二维材料层之间的偏转角为θ＝δk·t/3。

13、在一些示例中，所述多个二维材料层中的至少两层二维材料层的厚度不同，所述偏转角θm的关系还满足：

14、

15、且所述二维材料层的厚度满足：

16、

17、其中p为大于等于1小于等于n的整数，tp为第p个二维材料层的厚度。

18、在一些示例中，所述波矢失配δk在103至109m-1的范围内。

19、在一些示例中，每个所述二维材料层的厚度基本等于相干长度lc，所述相干长度lc为非线性光在所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体中实现增强的特征距离，且相邻二维材料层之间的偏转角在51度至69度的范围内。

20、在一些示例中，所述二维材料层具有三重旋转对称的晶体结构。

21、在一些示例中，每个所述二维材料层包括多个子层，各所述子层的晶体结构相同且取向平行，所述多个子层包括第一类型子层和第二类型子层，所述第一类型子层和所述第二类型子层的对应晶格位置处原子间形成的化学键方向相反，所述第一类型子层的层数大于所述第二类型子层的层数；或者所述多个子层的对应晶格位置处原子间形成的化学键方向均相同。

22、在一些示例中，所述第一类型子层的层数占所述多个子层的总层数的60％以上。

23、在一些示例中，所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体的二阶非线性光学系数不小于0.01pm/v。

24、在一些示例中，所述二维材料层的材料包括氮化硼、过渡金属硫族化合物、二硒化钯、氧化铌二碘化物和氧化铌二氯化物中的任意一种。

25、在一些示例中，所述二阶非线性光学效应包括二次谐波、和频和差频。

26、在一些示例中，所述相干长度lc小于1mm。

27、根据本公开的实施例通过厚层二维材料层的堆垛，利用偏转角、层厚、堆垛等参数，构建非线性增强光学晶体结构，可以容易地实现诸如二次谐波、和频或者差频等二阶非线性光以及其他非线性光的高效率输出。

技术特征：

1.一种非线性光学晶体结构，包括多个二维材料层，其中，所述多个二维材料层沿垂直于其二维平面的方向堆垛且彼此相邻的所述二维材料层之间通过范德瓦尔斯力接合，

2.根据权利要求1所述的非线性光学晶体结构，其中，所述二维材料层的二次非线性光学效应的波矢失配为δk，所述非线性光学晶体包括n个所述二维材料层，其中，第m个所述二维材料层相对于第一个所述二维材料层的偏转角θm满足：

3.根据权利要求2所述的非线性光学晶体结构，其中，所述多个二维材料层的厚度相等且分别具有厚度t，第m个所述二维材料层相对于第一个所述二维材料层的偏转角θm满足：

4.根据权利要求2或3所述的非线性光学晶体结构，其中，每个所述二维材料层的厚度小于或等于相干长度lc，所述相干长度lc为非线性光在所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体中实现增强的特征距离。

5.根据权利要求4所述的非线性光学晶体结构，其中，相邻的所述二维材料层之间的偏转角小于或等于60度。

6.根据权利要求2所述的非线性光学晶体结构，其中，所述多个二维材料层中的至少一个二维材料层的厚度大于相干长度lc，所述相干长度lc为非线性光在所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体中实现增强的特征距离。

7.根据权利要求2-6任一项所述的非线性光学晶体结构，其中，对于所有m值，第m个所述二维材料层相对于第(m-1)个所述二维材料层的偏转方向均相同。

8.根据权利要求3所述的非线性光学晶体结构，其中，所述多个二维材料层的总厚度为相干长度lc的整数倍，所述相干长度lc为非线性光在所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体中实现增强的特征距离，相邻的二维材料层之间的偏转角为θ＝δk·t/3。

9.根据权利要求2所述的非线性光学晶体结构，其中，所述多个二维材料层中的至少两层二维材料层的厚度不同，所述偏转角θm的关系还满足：

10.根据权利要求2-9任一项所述的非线性光学晶体结构，其中，所述波矢失配δk在103至109m-1的范围内。

11.根据权利要求1所述的非线性光学晶体结构，其中，每个所述二维材料层的厚度基本等于相干长度lc，所述相干长度lc为非线性光在所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体中实现增强的特征距离，且相邻二维材料层之间的偏转角在51度至69度的范围内。

12.根据权利要求1-11任一项所述的非线性光学晶体结构，其中，所述二维材料层具有三重旋转对称的晶体结构。

13.根据权利要求1-12任一项所述的非线性光学晶体结构，其中，每个所述二维材料层包括多个子层，各所述子层的晶体结构相同且取向平行，

14.根据权利要求12所述的非线性光学晶体结构，其中，所述第一类型子层的层数占所述多个子层的总层数的60％以上。

15.根据权利要求1-14任一项所述的非线性光学晶体结构，其中，所述具有中心反演不对称晶体结构的晶体的二阶非线性光学系数不小于0.01pm/v。

16.根据权利要求1-15任一项所述的非线性光学晶体结构，其中，所述二维材料层的材料包括氮化硼、过渡金属硫族化合物、二硒化钯、氧化铌二碘化物和氧化铌二氯化物中的任意一种。

17.根据权利要求2所述的非线性光学晶体结构，其中，所述二阶非线性光学效应包括二次谐波、和频和差频。

18.根据权利要求4、6、8或11所述的非线性光学晶体结构，其中，所述相干长度lc小于1mm。

技术总结本公开提供了一种非线性光学晶体结构，包括多个二维材料层，其中，所述多个二维材料层沿垂直于其二维平面的方向堆垛且彼此相邻的所述二维材料层之间通过范德瓦尔斯力接合，每个所述二维材料层为具有中心反演不对称晶体结构的晶体层，且在平行于所述二维平面的方向上具有平行于所述二维平面的预定晶格方向，彼此相邻的所述二维材料层之间具有非零的偏转角，所述偏转角为相邻的所述二维材料层的所述预定晶格方向在同一所述二维平面内的夹角，每个所述二维材料层的厚度大于5nm。本公开的实施例可以容易地实现诸如二阶非线性光的非线性光的高效率输出。技术研发人员：刘开辉,洪浩,马辰俊,黄琛,王恩哥受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27