南京大學介電體超晶格實驗室的謝臻達教授、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，首次提出并實驗驗證了稱為盒形微腔的新型光學微腔構型。該微腔突破了傳統微腔對于頻率匹配的嚴格限制，實現了寬帶連續可調諧的微腔激光器，在中紅外波段輸出功率達到數百毫瓦，對于高精度光譜學等應用具有重要意義。
高品質因子的光學微腔已經成為近年來光學研究關注的焦點，其中的新型線性和非線性光學效應層出不窮，并有望產生一系列集成化光子器件，推動光學頻率梳、高性能激光器等關鍵器件的性能提升、小型化和產業應用。然而基于現有光學微腔尚不能滿足某些實際應用的需求，例如光學微腔激光器受到頻率匹配的嚴格限制，無法滿足可調諧激光器對于輸出波長連續調諧的需求。解決上述問題需要探索新的微腔幾何構型，實現非嚴格的頻率匹配。
針對上述問題，南京大學團隊研究人員設計了盒型微腔的新型幾何結構，發展并完善了整套制備工藝，以鈮酸鋰介電體超晶格為基礎，僅僅利用機械拋光和光學鍍膜的方法就實現了單波長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因子（Q=2.3 × 107）。通過改變盒形微腔兩端面上的高反膜層參數，可以自由選擇共振波長，從而打破了傳統光學微腔對于多波長耦合的頻率選擇限制，首次在光學微腔中實現了單共振光參量振蕩，在中紅外波段獲得了227GHz的連續可調諧范圍。同時得益于盒形微腔近材料極限的品質因子，該激光線寬僅為kHz級別，具備分辨分子原子精細光譜結構的能力，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量，與理論計算的吸收譜線的比對精度達到了MHz級別，對于推動高精度光譜學的外場部署應用具有重要意義。
圖(a-c)展示了鈮酸鋰介電超晶格盒形微腔的設計、制備和表征。盒形微腔采用法布里帕羅光腔結構，因此可以通過改變端面膜系來自由選擇共振波長，實現中紅外閑頻光隨近紅外泵浦激光的快速連續調諧。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，形成大模場波導結構，避免了在一般體塊材料中的衍射損耗。精密機械拋光保證了盒形微腔側壁具有納米級別的粗糙度，降低了光在微腔中的傳輸損耗，實現了接近鈮酸鋰材料吸收極限的品質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諧和波長調諧，中紅外激光輸出功率最高可達0.43W，波長粗調諧范圍超過600nm，無跳模調諧范圍達227GHz。圖(e)展示了低壓甲烷中紅外波段吸收譜線的測量結果，測量范圍達3.7cm-1，吸收峰頻率準確度方差達0.97 MHz，實現了快速、高精度的測量。
圖 鈮酸鋰介電超晶格盒形微腔的(a)設計、(b)制備和(c)品質因子表征。(d)功率調諧測試、波長粗調諧測試、無跳模調諧測試。(e)低壓甲烷吸收譜線測量。
該工作以"Midinfrared Tunable Laser with Noncritical Frequency Matching in Box Resonator Geometry"為題發表在《Physical Review Letters》上。南京大學博士后賈琨鵬和博士生汪小涵為該項成果的共同第一作者，南京大學謝臻達教授和祝世寧院士為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃（2019YFA0705000, 2017YFA0303700）、國家自然科學基金（51890861, 11690031, 11621091, 11674169）、江蘇省自然科學基金前沿技術項目（BK20192001）和廣東省重點研發計劃（2018B030329001），廣東省基礎與應用基礎研究重大項目和江蘇省博士后科研資助計劃的資助（2021K259B）。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.213902
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