基于铌酸锂盒形微腔的中红外可调谐激光器

南京大学介电体超晶格实验室的谢臻达教授、祝世宁院士课题组的贾琨鹏博士后和汪小涵博士等在光学微腔研究中取得重要突破，以铌酸锂介电超晶格材料为基础，首次提出并实验验证了称为盒形微腔的新型光学微腔构型。该微腔突破了传统微腔对于频率匹配的严格限制，实现了宽带连续可调谐的微腔激光器，在中红外波段输出功率达到数百毫瓦，对于高精度光谱学等应用具有重要意义。

高品质因子的光学微腔已经成为近年来光学研究关注的焦点，其中的新型线性和非线性光学效应层出不穷，并有望产生一系列集成化光子器件，推动光学频率梳、高性能激光器等关键器件的性能提升、小型化和产业应用。然而基于现有光学微腔尚不能满足某些实际应用的需求，例如光学微腔激光器受到频率匹配的严格限制，无法满足可调谐激光器对于输出波长连续调谐的需求。解决上述问题需要探索新的微腔几何构型，实现非严格的频率匹配。

针对上述问题，南京大学团队研究人员设计了盒型微腔的新型几何结构，发展并完善了整套制备工艺，以铌酸锂介电体超晶格为基础，仅仅利用机械抛光和光学镀膜的方法就实现了单波长共振的盒形微腔光参量振荡器。该盒形微腔具有接近铌酸锂材料吸收极限的品质因子（Q=2.3 × 107）。通过改变盒形微腔两端面上的高反膜层参数，可以自由选择共振波长，从而打破了传统光学微腔对于多波长耦合的频率选择限制，首次在光学微腔中实现了单共振光参量振荡，在中红外波段获得了227GHz的连续可调谐范围。同时得益于盒形微腔近材料极限的品质因子，该激光线宽仅为kHz级别，具备分辨分子原子精细光谱结构的能力，研究人员成功将该光源用于低压甲烷气体的特征吸收谱线测量，与理论计算的吸收谱线的比对精度达到了MHz级别，对于推动高精度光谱学的外场部署应用具有重要意义。

图.铌酸锂介电超晶格盒形微腔的(a)设计、(b)制备和(c)品质因子表征。(d)功率调谐测试、波长粗调谐测试、无跳模调谐测试。(e)低压甲烷吸收谱线测量。

图(a-c)展示了铌酸锂介电超晶格盒形微腔的设计、制备和表征。盒形微腔采用法布里帕罗光腔结构，因此可以通过改变端面膜系来自由选择共振波长，实现中红外闲频光随近红外泵浦激光的快速连续调谐。铌酸锂介电超晶格材料以上下两层折射率略低的钽酸锂作为衬底，形成大模场波导结构，避免了在一般体块材料中的衍射损耗。精密机械抛光保证了盒形微腔侧壁具有纳米级别的粗糙度，降低了光在微腔中的传输损耗，实现了接近铌酸锂材料吸收极限的品质因子和较低的振荡阈值。图(d)展示了盒形微腔光参量振荡的功率调谐和波长调谐，中红外激光输出功率最高可达0.43W，波长粗调谐范围超过600nm，无跳模调谐范围达227GHz。图(e)展示了低压甲烷中红外波段吸收谱线的测量结果，测量范围达3.7cm-1，吸收峰频率准确度方差达0.97 MHz，实现了快速、高精度的测量。

该工作以”Midinfrared Tunable Laser with Noncritical Frequency Matching in Box Resonator Geometry”为题发表在《Physical Review Letters》上。南京大学博士后贾琨鹏和博士生汪小涵为该项成果的共同第一作者，南京大学谢臻达教授和祝世宁院士为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2019YFA0705000, 2017YFA0303700）、国家自然科学基金（51890861, 11690031, 11621091, 11674169）、江苏省自然科学基金前沿技术项目（BK20192001）和广东省重点研发计划（2018B030329001），广东省基础与应用基础研究重大项目和江苏省博士后科研资助计划的资助（2021K259B）。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.213902