上海光机所在铌酸锂片上窄线宽布里渊倍频微激光方面取得进展

图1(a) 受激布里渊激光的光谱;(b) 布里渊激光输出功率随片上泵浦功率的演化，插图：微盘腔的光学显微图;(c)布里渊激光的频率噪声谱，显示短程线宽仅为 254 Hz;(d) 布里渊倍频激光的光谱;(e)布里渊倍频激光的转换效率，插图：布里渊激光二次谐波产生(SHG)时光学微腔的侧面光学显微图;(f)布里渊倍频激光的频率噪声谱，显示本征线宽仅为864 Hz。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室联合华东师范大学、华南理工大学等单位在高品质因子的薄膜铌酸锂微盘腔构建了可见布里渊倍频微激光。相关研究成果以“Visible Brillouin-quadratic microlaser in a high-Q thin-film lithium niobate microdisk”为题发表于Nature Communications。

工作在短波/可见光波段的窄线宽激光源，对精密原子、分子研究与光学物理及其相关应用(如原子钟、量子计算、原子与分子光谱学以及量子传感等)所需的高光谱纯度至关重要。目前，此类窄线宽激光器通常仅见于庞大的台式系统，这些庞大的实验室尺度系统在尺寸、稳定性和可扩展性方面面临严峻的局限。因此，如果在片上光子平台中，实现紧凑、可靠的短波/可见光波长激光器，特别是可同步运行在通讯与可见波段的双色窄线宽微激光，以支撑日益不断提升的实验复杂性，将为片上量子信息处理与精密计量学领域开辟新的道路。

针对这一挑战，研究团队利用薄膜铌酸锂强的光子-声子相互作用、高的二阶非线性以及出色的光场束缚特性，通过设计薄膜铌酸锂微盘腔的色散(尺寸约为117 um)，在单个微腔同时实现了受激布里渊散射及其模间匹配的二次谐波产生，构建了可见光窄线宽激光。

在该项研究中，悬浮式薄膜铌酸锂微盘腔采用课题组自主建立的飞秒激光光刻辅助化学机械刻蚀技术制备，其在1560 nm及780 nm波长附近的负载Q值为4.0×106和1.35×106。使用连续激光泵浦微腔1559.632 nm处的横磁场基模，借助该模式与横电场基模之间强的光力耦合，在1559.718 nm产生了背向斯托克斯布里渊激光，如图1(a)所示。其中，布里渊频移为10.17 GHz，布里渊激光的阈值仅为1.81 mW，创下该光子平台的布里渊激光阈值纪录;转换效率达到19.27%;短期积分线宽仅为254 Hz，如图1(b)和(c)所示。同时，在779.859 nm波长处，实验观测到了该布里渊激光通过模间相位匹配产生的二次谐波信号，如图1(d)所示。经过测试，该布里渊倍频激光的归一化转换效率达到3.61%/mW，本征线宽窄至864 Hz，分别如图1(e)和(f)所示。

该实验首次在片上光子平台获得了在通信波段和可见光波段同步运行的高纯度、窄线宽双色激光输出。该结果为高效、紧凑的片上非线性光子系统设计建立了重要参考，有力推动了片上双色窄线宽激光器从概念迈向实际应用。