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(pán)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。

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(pán)腔構(gòu)建了可見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光波長(zhǎng)激光器，特別是可同步運(yùn)行在通訊與可見(jiàn)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(kāi)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(guò)設(shè)計(jì)薄膜鈮酸鋰微盤(pán)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(jiàn)光窄線寬激光。

在該項(xiàng)研究中，懸浮式薄膜鈮酸鋰微盤(pán)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(guò)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(guò)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(jiàn)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。

審核編輯 黃宇