高品質(zhì)回音壁模式光學(xué)微腔能夠顯著地增強光與物質(zhì)的相互作用，在低閾值的非線性光學(xué)、量子電動力學(xué)、光機械力學(xué)和生物傳感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。基于介質(zhì)晶體襯底的回音壁模式光學(xué)微腔具有高非線性系數(shù)（二階或三階）、寬透明窗口、低本征吸收、幾乎沒有雜質(zhì)發(fā)光等獨特優(yōu)點，在構(gòu)建光學(xué)頻率梳、下一代的經(jīng)典或量子糾纏光源、量子信息處理芯片、便攜式可調(diào)諧光源等方面顯示出重要的科學(xué)意義和良好的商業(yè)前景。然而，利用現(xiàn)有的手工或機械拋光技術(shù)，難以在晶體芯片上獲得微米尺度的小尺寸高品質(zhì)光學(xué)微腔。
上海光機所強場激光物理國家重點實驗室林錦添等與浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室合作，提出了一種基于飛秒激光直寫的晶體高品質(zhì)回音壁模式光學(xué)微腔的制備新方案[Sci. Rep. 5, 8072 (2015)]。該方案使用鈮酸鋰薄膜/二氧化硅/鈮酸鋰襯底的三明治結(jié)構(gòu)材料作為樣品（如圖1所示），通過水輔助的飛秒激光刻蝕，在樣品上制備微柱體；接著使用聚焦離子束(FIB)對微柱體的邊緣進(jìn)行研磨，降低邊緣的粗糙度；為了擴大微腔與周圍環(huán)境的折射率差，將二氧化硅層腐蝕為小支柱，形成懸空的鈮酸鋰微盤；最后對微盤腔進(jìn)行高溫處理。所制備的鈮酸鋰薄膜微腔如圖2(a)所示。經(jīng)測量，晶體微腔的品質(zhì)因子在1550 nm波段高達(dá)到2.5×105(見圖2(b))。利用單縱模的窄帶可調(diào)諧激光對該微腔進(jìn)行泵浦，獲得了顯著的二次諧波信號，其歸一化轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.35×10-5/mW的[arXiv:1405.6473 (2014)]。圖2(c)顯示了產(chǎn)生紫色的二次諧波的微腔側(cè)面圖。
由于該制備技術(shù)，對晶體材料的性質(zhì)不敏感，有望在多種介質(zhì)晶體上制備高品質(zhì)的回音壁模式光學(xué)微腔，推動微腔在非線性光學(xué)、量子光學(xué)的應(yīng)用。
該項研究得到了國家重大科學(xué)研究計劃、國家自然科學(xué)基金等的支持。
圖1 鈮酸鋰微腔制備流程[Sci. Rep. 5, 8072 (2015)]
圖2 (a)飛秒激光直寫制備的鈮酸鋰薄膜微腔（尺寸55 µm），插圖為側(cè)視圖，可見到懸空的區(qū)域，(b)品質(zhì)因子為2.5×105[Sci. Rep. 5, 8072 (2015)]；(c)產(chǎn)生二次諧波（紫藍(lán)色光）的微腔的側(cè)視圖，(d)二次諧波的轉(zhuǎn)換效率為1.35×10-5/mW [arXiv:1405.6473 (2014)]。
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