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超强激光科学卓越创新简报

(第六百八十二期)

2025年7月10日

上海光机所在片上铌酸锂微盘腔的高效横向非线性光学频率转换方面取得进展

近日，中国科学院上海光机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、之江实验室等单位基于高品质因子的薄膜铌酸锂微盘腔，实现了高效的横向非线性光学频率转换。相关成果以“Efficient transverse multiwave interactions up to six-wave mixing in a high-Q lithium niobate microresonator”为题，作为PRL Editors’ Suggestion论文发表在Physical Review Letters期刊上。

高阶非线性光学过程是推动深紫外相干光源、量子通信和超快光学等领域发展的关键物理基础。然而，这类过程即使借助高品质因子（Q≥106）的光学微腔来显著增强光与物质相互作用，仍面临两个关键挑战：（1）高阶非线性极化率随阶数指数衰减和（2）严格的宽带相位匹配要求。

为攻克这一挑战，研究团队通过设计薄膜铌酸锂微盘腔的色散（尺寸约44.9 μm），并采用飞秒激光光刻辅助化学机械抛光技术制备出高品质因子（负载Q值>7.0×106）的微盘腔。在1546 nm波段连续激光泵浦下，该铌酸锂微腔在1713 nm和1922 nm波长处分别产生了双向受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）和级联SRS信号。其中，双向SRS信号在微腔内诱导生成了自组织的光折变光栅，提供了额外的光学动量，补偿后续非线性过程所需的相位失配（图1e插图）。同时，受背向瑞利散射影响，部分前向传输的泵浦光被转化为背向模式。随着泵浦光波长从1545.6 nm连续调谐到1546.1 nm，这对双向传输的泵浦光将与同样双向传输的级联SRS信号逐步发生以下的非线性频率转换过程：和频（856.7 nm）、四波到六波混频（551.3、428.4、350.3 nm）过程，如图1所示。受相位匹配条件约束，这些双向传输的非线性信号主要以近乎垂直于微腔平面的角度向腔外发射，其以微小角度差出射的非线性辐射信号经干涉在CCD上形成了周期排布性的条纹，如图1（a）所示，并具有较高的转换效率，其中和频转换效率达到了590%/W。这一成果有望应用于片上量子光源产生、光信息显示、高灵敏传感、集成光信息处理等场景，将推动片上紫外光源和多通道量子通信等领域的发展。

该项研究的实验部分主要由上海光机所、华东师范大学完成，华南理工大学对横向非线性过程的分析做出了突出贡献，之江实验室完成了低损耗锥形光纤的制备并参与数据分析。

原文链接

图1. 横向多波混频过程。（a）微腔上不同横向非线性光信号发射的光学显微图，从左到右分别对应和频、四波混频、五波混频和六波混频过程。（b）和频信号光谱图。（c）四波混频信号光谱图。d）五波混频信号光谱图。(b)-(d)的各插图：相应非线性信号的输出功率与泵浦功率的关系。（e）六波混频信号光谱图。插图：在单个连续波（P）泵浦微盘腔时，由背向和前向SRS信号（即BSRS和FSRS）形成的光折变光栅示意图。

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