南京大學(xué)介電體超晶格實(shí)驗(yàn)室的謝臻達(dá)教授、祝世寧院士課題組的賈琨鵬博士后和汪小涵博士等在光學(xué)微腔研究中取得重要突破，以鈮酸鋰介電超晶格材料為基礎(chǔ)，首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了稱為盒形微腔的新型光學(xué)微腔構(gòu)型。該微腔突破了傳統(tǒng)微腔對(duì)于頻率匹配的嚴(yán)格限制，實(shí)現(xiàn)了寬帶連續(xù)可調(diào)諧的微腔激光器，在中紅外波段輸出功率達(dá)到數(shù)百毫瓦，對(duì)于高精度光譜學(xué)等應(yīng)用具有重要意義。

高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔已經(jīng)成為近年來(lái)光學(xué)研究關(guān)注的焦點(diǎn)，其中的新型線性和非線性光學(xué)效應(yīng)層出不窮，并有望產(chǎn)生一系列集成化光子器件，推動(dòng)光學(xué)頻率梳、高性能激光器等關(guān)鍵器件的性能提升、小型化和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。然而基于現(xiàn)有光學(xué)微腔尚不能滿足某些實(shí)際應(yīng)用的需求，例如光學(xué)微腔激光器受到頻率匹配的嚴(yán)格限制，無(wú)法滿足可調(diào)諧激光器對(duì)于輸出波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧的需求。解決上述問(wèn)題需要探索新的微腔幾何構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)非嚴(yán)格的頻率匹配。

針對(duì)上述問(wèn)題，南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究人員設(shè)計(jì)了盒型微腔的新型幾何結(jié)構(gòu)，發(fā)展并完善了整套制備工藝，以鈮酸鋰介電體超晶格為基礎(chǔ)，僅僅利用機(jī)械拋光和光學(xué)鍍膜的方法就實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)共振的盒形微腔光參量振蕩器。該盒形微腔具有接近鈮酸鋰材料吸收極限的品質(zhì)因子（Q=2.3 × 107）。通過(guò)改變盒形微腔兩端面上的高反膜層參數(shù)，可以自由選擇共振波長(zhǎng)，從而打破了傳統(tǒng)光學(xué)微腔對(duì)于多波長(zhǎng)耦合的頻率選擇限制，首次在光學(xué)微腔中實(shí)現(xiàn)了單共振光參量振蕩，在中紅外波段獲得了227GHz的連續(xù)可調(diào)諧范圍。同時(shí)得益于盒形微腔近材料極限的品質(zhì)因子，該激光線寬僅為kHz級(jí)別，具備分辨分子原子精細(xì)光譜結(jié)構(gòu)的能力，研究人員成功將該光源用于低壓甲烷氣體的特征吸收譜線測(cè)量，與理論計(jì)算的吸收譜線的比對(duì)精度達(dá)到了MHz級(jí)別，對(duì)于推動(dòng)高精度光譜學(xué)的外場(chǎng)部署應(yīng)用具有重要意義。

圖(a-c)展示了鈮酸鋰介電超晶格盒形微腔的設(shè)計(jì)、制備和表征。盒形微腔采用法布里帕羅光腔結(jié)構(gòu)，因此可以通過(guò)改變端面膜系來(lái)自由選擇共振波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)中紅外閑頻光隨近紅外泵浦激光的快速連續(xù)調(diào)諧。鈮酸鋰介電超晶格材料以上下兩層折射率略低的鉭酸鋰作為襯底，形成大模場(chǎng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，避免了在一般體塊材料中的衍射損耗。精密機(jī)械拋光保證了盒形微腔側(cè)壁具有納米級(jí)別的粗糙度，降低了光在微腔中的傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)了接近鈮酸鋰材料吸收極限的品質(zhì)因子和較低的振蕩閾值。圖(d)展示了盒形微腔光參量振蕩的功率調(diào)諧和波長(zhǎng)調(diào)諧，中紅外激光輸出功率最高可達(dá)0.43W，波長(zhǎng)粗調(diào)諧范圍超過(guò)600nm，無(wú)跳模調(diào)諧范圍達(dá)227GHz。圖(e)展示了低壓甲烷中紅外波段吸收譜線的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量范圍達(dá)3.7cm-1，吸收峰頻率準(zhǔn)確度方差達(dá)0.97 MHz，實(shí)現(xiàn)了快速、高精度的測(cè)量。

圖 鈮酸鋰介電超晶格盒形微腔的(a)設(shè)計(jì)、(b)制備和(c)品質(zhì)因子表征。(d)功率調(diào)諧測(cè)試、波長(zhǎng)粗調(diào)諧測(cè)試、無(wú)跳模調(diào)諧測(cè)試。(e)低壓甲烷吸收譜線測(cè)量。

該工作以"Midinfrared Tunable Laser with Noncritical Frequency Matching in Box Resonator Geometry"為題發(fā)表在《Physical Review Letters》上。南京大學(xué)博士后賈琨鵬和博士生汪小涵為該項(xiàng)成果的共同第一作者，南京大學(xué)謝臻達(dá)教授和祝世寧院士為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFA0705000, 2017YFA0303700）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51890861, 11690031, 11621091, 11674169）、江蘇省自然科學(xué)基金前沿技術(shù)項(xiàng)目（BK20192001）和廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018B030329001），廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目和江蘇省博士后科研資助計(jì)劃的資助（2021K259B）。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.213902