近日，我室研究生赵宇浩、徐天翔副研究员和盛艳研究员在Applied Physics Letters期刊上发表了题为 “All optical poling of KTP crystal for phase matched second harmonic generation”的论文（2025, 126:102902），doi: 10.1063/5.0255135。       

       在非线性光学和光电子器件领域，KTP 晶体由于其出色的光学性能，如高的二阶非线性光学系数、低吸收损耗、良好的透光性和高抗激光损伤能力，在频率转换、光学参量振荡等方面有着广泛应用。传统的在 KTP 晶体中创建周期性铁电畴结构的方法是电场极化，虽然能实现大面积畴结构制备利于批量生产，但存在纳米制造工艺复杂、图案化电极不利于低损耗光波导应用等问题。飞秒激光直写技术作为一种新兴的替代方法，已在多种铁电材料中成功应用，但此前在 KTP 晶体上尚未见报道。

       我们利用飞秒激光直写技术在 KTP 晶体中成功实现了铁电畴反转，并对相关特性展开了系统研究。在实验中，我们搭建了飞秒激光极化实验装置，以 500 μm 厚的 Z 切 KTP 晶体为研究对象，通过钛宝石激光振荡器产生飞秒激光脉冲。实验结果表明，通过合理选择激光写入条件和参数，能够在 KTP 晶体中实现铁电畴的反转，并且反转畴的长度和横截面尺寸可通过改变写入参数进行调控。例如，激光功率、光斑移动速度、激光波长等因素对反转畴的形态特征有着显著影响。图1中展示的即是我们通过控制光斑移动速度制备出的长度和直径不同的铁电畴结构。研究发现，铁电畴反转的激光功率阈值为 770 mW，低于该阈值无法诱导出反转畴，高于阈值时，更高的激光功率有助于增大反转畴的尺寸。光斑移动速度方面，速度越快，反转畴的横截面尺寸和长度越小，适合制备小周期畴结构。此外，激光波长的变化也会影响畴反转阈值，随着波长增加，阈值升高。我们设计并制备了周期极化磷酸钛氧钾晶体(PPKTP)，拟实现基频光波长910 nm情况下的共线二次谐波的有效输出。图2(a)为二次谐波观测方法的示意图，图2(b)展示了共线二次谐波的光斑，图2(c)展示了共线二次谐波的转换效率。实验结果表明，该结构有效提升了二次谐波的转换效率，转换效率较空白区域提升了10倍。

       该研究成果为 KTP 晶体中铁电畴的工程化提供了一种便捷方法，拓展了全光极化在铁电材料领域的应用范围，对基于 KTP 晶体的非线性光学和光电子应用具有重要意义，有望推动相关领域的进一步发展。

图1. (a)-(c) KTP晶体中光斑移动速度5、3、1 μm/s下制备的铁电畴，(d)-(f)为(a)-(c)对应的三维结构 

图2 (a)KTP晶体全光极化畴结构的倍频实验示意图；(b)典型倍频光斑；(c)二次谐波功率随基频功率的变化曲线