高品质回音壁模式光学微腔可通过全内反射把光约束在小的体积内, 显著增强光与物质的相互作用, 被广泛应用于非线性光学、量子电动力学、量子光学、生物传感等领域. 由于晶体具有高的非线性系数(二阶或三阶)、宽的透明窗口、低的本征吸收等优点, 晶体谐振腔尤为引人注目, 在下一代非线性光源等应用显示出重要的前景.

然而, 依赖于现在的机械抛光加工工艺, 高品质光学微腔的尺寸一般在毫米量级, 且难以实现芯片集成. 得益于2014年以来的加工技术的进步, 品质因子在10⁵~10⁶量级的亚百微米铌酸锂微腔才得以在晶片上实现. 值得一提的是, 我们利用飞秒激光微加工技术、聚焦离子束研磨, 化学腐蚀, 以及高温退火的方案, 制备品质为2.5×10⁵的铌酸锂微腔[J. Lin, et al., Sci. Rep.5, 8072 (2015)]. 近期, 通过进一步改善工艺, 微腔的品质被提升到2.45×10⁶;并演示了微腔中的二次谐波产生, 其归一化转换效率可到达1.35×10^-5/mW. 研究相关的论文题为：“Secondharmonic generation in a high-Q lithium niobate microresonator fabricated byfemtosecond laser micromachining”, 为近期出版的2015年第58卷第11期SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy(《中国科学：物理学、力学、天文学》英文版)的文章.

图1  (a)尺寸82微米、品质因子2.45×10⁶的微腔的扫描电镜图, (b)产生二次谐波的微腔的光学侧视图.

用于制备微腔的铌酸锂薄膜, 键合在铌酸锂衬底、二氧化硅层之上. 微腔的制备流程包括：首先利用紧聚焦的飞秒激光对浸泡在水中的样品进行刻蚀, 形成微柱体; 第二, 采用聚焦离子束(FIB, 束流1 nA)对微柱体的侧壁进行抛光, 提升光滑度; 第三, 利用化学腐蚀选择性去除二氧化硅层, 将其移除成微支柱, 形成由微支柱支撑的铌酸锂微盘; 最后, 对样品高温退火(500°C, 保温4小时), 减少由FIB抛光引入的缺陷. 尺寸82微米的微腔的品质因子达到了2.45×10⁶.

为了演示微腔中的二次谐波产生, 波长可调谐的窄带连续激光和宽谱的飞秒光源被用作泵浦光源. 在实验中, 泵浦光通过锥形光纤耦合到微腔中. 此时锥形光纤与微腔侧壁接触. 泵浦光的偏振态由光纤偏振控制器调节. 微腔产生的二次谐波由同根锥形光纤提取出来, 并被收集及探测.

当泵浦光为连续光时, 我们连续变化泵浦光波长, 直到产生最强的二次谐波信号. 此时, 二次谐波波长为399.922 nm, 测得的归一化转换效率为1.35×10^-5/mW. 当泵浦光为宽谱的飞秒光源时, 产生的二次谐波的峰值波长为397.14 nm, 该波长刚好为共振泵浦基频模式波长的一半, 测得的归一化转换效率2.30×10^-6/mW.

这一研究工作报道了飞秒激光可制备品质因子高达~2×10⁶的铌酸锂微腔, 并演示了在连续光可调谐激光、超短脉冲飞秒激光泵浦下在400nm波长附近产生的二次谐波. 当连续可调谐激光泵浦时, 二次谐波的转换效率为1.35×10^-5/mW.

该项研究得到了国家重大科学研究计划(No.2014CB921300),国家自然科学基金(Nos.61275205, 11174305, 61205209)等的资助.

更多详情请阅原文：

Lin J T, Xu Y X, Fang Z W, et al. Secondharmonic generation in a high-Q lithium niobate microresonator fabricated by femtosecondlaser micromachining, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 2015, vol. 58, No.11:114209

http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/abstract/abstract509988.shtml#

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