表面功能化的微腔增強(qiáng)了非線(xiàn)性光學(xué)

二氧化硅光學(xué)微腔是主要的光子器件，因其在寬帶光譜和成熟的制造工藝中固有的超低損耗而受到重視，但不幸的是，它們具有較低的二階和三階光學(xué)非線(xiàn)性。微腔的顯著特征是表面固有的漏逝場(chǎng)，這為表面的光-物質(zhì)相互作用打開(kāi)了窗口。

現(xiàn)在，由北京大學(xué)的肖云峰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與上?？萍即髮W(xué)的沉?xí)郧俳淌诤献?，在表面功能化的二氧化硅微腔中?shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高效三次諧波產(chǎn)生(THG)。這項(xiàng)工作已在線(xiàn)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，標(biāo)題為“ 具有有機(jī)功能化表面的微腔非線(xiàn)性光學(xué)器件 ”。

在這項(xiàng)工作中，共軛有機(jī)分子用于微腔表面的功能化，由于其大的離域電子系統(tǒng)，它們具有非常大的非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)。通過(guò)表面功能化策略，有望將高質(zhì)量因子(Q)微腔與龐大的非線(xiàn)性分子庫(kù)聯(lián)系起來(lái)。

給定腔中的幾何形狀和材料色散，泵浦光和三次諧波(TH)信號(hào)及其相應(yīng)的腔模式的光頻率失配會(huì)破壞TH輸出的雙共振增強(qiáng)，特別是在超高Q微腔中。“表面增強(qiáng)的三階非線(xiàn)性是高效THG的故事的一部分，”肖教授的“博雅”博士后陳錦輝說(shuō)。“我們通過(guò)利用Kerr和熱效應(yīng)來(lái)開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)相位匹配方法，以解決超高Q微腔中具有挑戰(zhàn)性的光學(xué)模式色散。”

這些效應(yīng)共同引入了腔模的頻移，并導(dǎo)致泵浦和TH諧振失配的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。結(jié)果，在幾毫瓦的泵浦功率下觀察到明亮的TH信號(hào)，最大轉(zhuǎn)換效率高達(dá)1,680%/ W2，這比最佳報(bào)道的純二氧化硅微腔的轉(zhuǎn)換效率高四個(gè)數(shù)量級(jí)。超高的轉(zhuǎn)換效率歸因于有機(jī)分子的強(qiáng)非線(xiàn)性和泵浦光和TH信號(hào)的超高Q共振增強(qiáng)。

為了進(jìn)一步識(shí)別非線(xiàn)性信號(hào)的起源，研究人員分析了泵浦偏振相關(guān)的TH或三階和頻(TSF)輸出。他們發(fā)現(xiàn)，由于有機(jī)分子的表面排列，橫向電動(dòng)泵浦極化的輸出TH或TSF功率比橫向電動(dòng)泵浦極化的輸出TH或TSF功率高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

肖教授說(shuō)：“該實(shí)驗(yàn)在二氧化硅光子學(xué)中獲得了最高的THG效率記錄。” “更重要的是，這項(xiàng)工作可能會(huì)為改善性能和擴(kuò)大微腔的應(yīng)用開(kāi)辟新的視野，微腔是由傳統(tǒng)的塊狀材料(例如二氧化硅和氮化硅)制成的。我們?cè)谶@項(xiàng)工作中學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)的技術(shù)和機(jī)理，包括表面功能化和動(dòng)態(tài)相位匹配方法在內(nèi)的各種方法，將作為各種應(yīng)用的基礎(chǔ)，特別是在寬帶可調(diào)非線(xiàn)性光子學(xué)中。”