2022年6月17日下午14:00，由北京大学电子学院主办的电子学院前沿学术论坛第33期通过网络顺利举行。本期论坛邀请到南京大学固体微结构物理国家重点实验室祝世宁院士做主题为“光学微结构研究：回顾与展望——‘准相位匹配’六十年”的学术报告。讲座由电子学院量子电子学研究所郭弘教授主持，120余名师生线上参加了本次学术报告。

在讲座开始，祝院士介绍了非线性光学中的准相位匹配的早期发展。1960年，H. Maiman发明了红宝石激光器。1961年，P. Franken等人实现激光的倍频，但是转化的效率很低。这是色散所导致的激波光和倍频光位相不匹配造成的。1962年，P.D. Maker等人利用晶体双折射实现了双折射位相匹配（BPM），进而实现了高效激光倍频。同年，N. Bloembergen等人发表了著名的关于非线性光学中准相位匹配的文章，提出了准相位匹配的原理和三种准相位匹配的方法。

由于在实验上难以制作出能够实现准相位匹配的晶体，这一领域在实验上的研究进展比较缓慢。70年代时，南京大学物理系在做铌酸锂生长实验时发现，提拉晶体会导致晶体表面和内部出现周期性微结构。经过多次实验优化条纹间距，确认了这种结构可以实现激光的准相位匹配。1980年，王大珩先生组织了中国的第一次国际激光研讨会，该工作被选中在会议上报告。报告引起了美国科学家的极大兴趣，他们惊讶地发现这个一直困扰准相位匹配研究的问题被中国科学家用这样的方法解决了。

不过，由于激光的应用并不是非常普及，以及提拉晶体的方法很难生长出严格的周期性材料，当时准相位匹配的研究依然非常缓慢。1993年，南京大学采用半导体平面工艺和电畴反转技术，控制铌酸锂晶体中微结构的分布，从而实现一维、二维超晶格的精确控制和批量制备问题，即图案极化技术。这种方法所制备的光子晶体的图案是可以任意设计的，因此他们进一步设计了各种图案的超晶格进行基础研究实验，对准相位匹配研究的发展做出了非常大的贡献。

接下来，祝院士介绍了准周期光学超晶构与多重准相位匹配。1982年，舍特曼发现了具有五次对称性的准晶结构，这是一种三维空间的Penrose拼图结构，是六维空间周期结构在三维空间的投影。利用这样的准周期超晶格结构可以满足更多的准相位匹配条件。1997年，南京大学结合图案极化技术，实现了准周期光学超晶格的制备，实现高效的激光三倍频。进一步地，南京大学还利用图案极化技术制备准周期光学超晶格的方法，实现了中红外激光的稳定输出，并且具有窄线宽、可调谐的特性。类似的，也可以利用光学超晶格实现频率梳的制作。这样的中红外激光在安全、科研中都有广泛的应用。

接着，祝院士介绍了光学超晶格中非线性光学新效应及其在量子光学与量子信息中的应用。类似于BBO晶体，光学超晶格也可以产生纠缠光子对。而通过对超晶格的晶构的设计，还可以进一步产生不同特性的纠缠光子对。例如，祝院士团队通过设计超晶格结构，产生了具有汇聚特性的纠缠光子对，进而实现无透镜的鬼成像。此外，利用六角结构超晶格可以实现可预知单光子多模纠缠，利用四方超晶格结构可以实现多光子NOON态，利用双周期极化超晶格可以制备偏振纠缠光子源，利用小周期超晶格可以制备窄线宽纠缠光子源。其中祝院士团队设计的基于轻量化的高亮度偏振纠缠光子源可以搭载在无人机上，为基于无人机的量子网络打下良好基础。

祝院士介绍说，光量子技术要实用化必须芯片化。2010年，南京大学开始芯片化铌酸锂光量子芯片的研究，这种光子芯片可以将一个光学平台所承载的演示功能集成在一个芯片上。铌酸锂光量子芯片具有低功耗、低损耗、易调控等特点，且铌酸锂薄膜的出现使光子芯片向规模化生产的方向发展，未来有希望实现基于铌酸锂和半导体的光电混合芯片或全光芯片。

最后，祝院士以朱熹的《观书有感》作为结束语，总结了非线性光学准相位匹配从光学超晶格到光学微结构的发展历程，同时表达了对未来无人机量子网络、光子芯片等光学超晶格应用场景的期待。

在提问环节，聆听报告的师生积极地与祝院士进行互动交流。针对光学超晶格设计和制作、光子芯片制造、基于无人机的量子纠缠分发技术等问题，祝院士做了全面、详细的回答。