【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合華東師范大學(xué)、華南理工大學(xué)等單位在高品質(zhì)因子的薄膜鈮酸鋰微盤腔構(gòu)建了可見布里淵倍頻微激光。相關(guān)研究成果以“Visible Brillouin-quadratic microlaser in a high-Q thin-film lithium niobate microdisk”為題發(fā)表于Nature Communications。
工作在短波/可見光波段的窄線寬激光源，對(duì)精密原子、分子研究與光學(xué)物理及其相關(guān)應(yīng)用(如原子鐘、量子計(jì)算、原子與分子光譜學(xué)以及量子傳感等)所需的高光譜純度至關(guān)重要。目前，此類窄線寬激光器通常僅見于龐大的臺(tái)式系統(tǒng)，這些龐大的實(shí)驗(yàn)室尺度系統(tǒng)在尺寸、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性方面面臨嚴(yán)峻的局限。因此，如果在片上光子平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)緊湊、可靠的短波/可見光波長(zhǎng)激光器，特別是可同步運(yùn)行在通訊與可見波段的雙色窄線寬微激光，以支撐日益不斷提升的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性，將為片上量子信息處理與精密計(jì)量學(xué)領(lǐng)域開辟新的道路。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用薄膜鈮酸鋰強(qiáng)的光子-聲子相互作用、高的二階非線性以及出色的光場(chǎng)束縛特性，通過設(shè)計(jì)薄膜鈮酸鋰微盤腔的色散(尺寸約為117 um)，在單個(gè)微腔同時(shí)實(shí)現(xiàn)了受激布里淵散射及其模間匹配的二次諧波產(chǎn)生，構(gòu)建了可見光窄線寬激光。
在該項(xiàng)研究中，懸浮式薄膜鈮酸鋰微盤腔采用課題組自主建立的飛秒激光光刻輔助化學(xué)機(jī)械刻蝕技術(shù)制備，其在1560 nm及780 nm波長(zhǎng)附近的負(fù)載Q值為4.0×106和1.35×106。使用連續(xù)激光泵浦微腔1559.632 nm處的橫磁場(chǎng)基模，借助該模式與橫電場(chǎng)基模之間強(qiáng)的光力耦合，在1559.718 nm產(chǎn)生了背向斯托克斯布里淵激光，如圖1(a)所示。其中，布里淵頻移為10.17 GHz，布里淵激光的閾值僅為1.81 mW，創(chuàng)下該光子平臺(tái)的布里淵激光閾值紀(jì)錄；轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.27%；短期積分線寬僅為254 Hz，如圖1(b)和(c)所示。同時(shí)，在779.859 nm波長(zhǎng)處，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了該布里淵激光通過模間相位匹配產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)，如圖1(d)所示。經(jīng)過測(cè)試，該布里淵倍頻激光的歸一化轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.61%/mW，本征線寬窄至864 Hz，分別如圖1(e)和(f)所示。
該實(shí)驗(yàn)首次在片上光子平臺(tái)獲得了在通信波段和可見光波段同步運(yùn)行的高純度、窄線寬雙色激光輸出。該結(jié)果為高效、緊湊的片上非線性光子系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立了重要參考，有力推動(dòng)了片上雙色窄線寬激光器從概念邁向?qū)嶋H應(yīng)用。
圖1(a) 受激布里淵激光的光譜；(b) 布里淵激光輸出功率隨片上泵浦功率的演化，插圖：微盤腔的光學(xué)顯微圖；(c)布里淵激光的頻率噪聲譜，顯示短程線寬僅為 254 Hz；(d) 布里淵倍頻激光的光譜；(e)布里淵倍頻激光的轉(zhuǎn)換效率，插圖：布里淵激光二次諧波產(chǎn)生(SHG)時(shí)光學(xué)微腔的側(cè)面光學(xué)顯微圖；(f)布里淵倍頻激光的頻率噪聲譜，顯示本征線寬僅為864 Hz。
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