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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)非線性。微腔的顯著特征是表面固有的漏逝場,這為表面的光-物質(zhì)相互作用打開了窗口。
現(xiàn)在,由北京大學(xué)的肖云峰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與上海科技大學(xué)的沉?xí)郧俳淌诤献?,在表面功能化的二氧化硅微腔中實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高效三次諧波產(chǎn)生(THG)。這項工作已在線發(fā)表在《物理評論快報》上,標(biāo)題為“ 具有有機(jī)功能化表面的微腔非線性光學(xué)器件 ”。
在這項工作中,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性光學(xué)響應(yīng)。通過表面功能化策略,有望將高質(zhì)量因子(Q)微腔與龐大的非線性分子庫聯(lián)系起來。
給定腔中的幾何形狀和材料色散,泵浦光和三次諧波(TH)信號及其相應(yīng)的腔模式的光頻率失配會破壞TH輸出的雙共振增強,特別是在超高Q微腔中。“表面增強的三階非線性是高效THG的故事的一部分,”肖教授的“博雅”博士后陳錦輝說。“我們通過利用Kerr和熱效應(yīng)來開發(fā)動態(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諧振失配的動態(tài)補償。結(jié)果,在幾毫瓦的泵浦功率下觀察到明亮的TH信號,最大轉(zhuǎn)換效率高達(dá)1,680%/ W2,這比最佳報道的純二氧化硅微腔的轉(zhuǎn)換效率高四個數(shù)量級。超高的轉(zhuǎn)換效率歸因于有機(jī)分子的強非線性和泵浦光和TH信號的超高Q共振增強。
為了進(jìn)一步識別非線性信號的起源,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,橫向電動泵浦極化的輸出TH或TSF功率比橫向電動泵浦極化的輸出TH或TSF功率高約兩個數(shù)量級。
肖教授說:“該實驗在二氧化硅光子學(xué)中獲得了最高的THG效率記錄。” “更重要的是,這項工作可能會為改善性能和擴(kuò)大微腔的應(yīng)用開辟新的視野,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。我們在這項工作中學(xué)習(xí)和開發(fā)的技術(shù)和機(jī)理,包括表面功能化和動態(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)非線性光子學(xué)中。”
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