導(dǎo) 讀
近日，山東大學(xué)物理學(xué)院陳峰團(tuán)隊(duì)展示了一種新型的微腔激光器。該方案巧妙地將離子注入技術(shù)與傳統(tǒng)的激光晶體Nd：YAG晶體結(jié)合，借助離子注入引入缺陷增強(qiáng)局部化學(xué)腐蝕速度，從而實(shí)現(xiàn)晶體薄膜的剝離，隨后對(duì)薄膜進(jìn)行圖案化，得到毫瓦級(jí)輸出的微腔激光器。該方案為微納光學(xué)器件提供了新的研究思路。
該文章以“Optically Pumped Milliwatt Whispering-Gallery Microcavity Laser”為題發(fā)表在Light: Science & Applications，李慧琦博士為第一作者，譚楊教授與陳峰教授為通訊作者。
耳語(yǔ)回廊模式（WGM）由于其品質(zhì)因子高、模式體積小等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于低閾值激光器、量子通訊和生物傳感等領(lǐng)域。WGM微腔激光器根據(jù)激光機(jī)制的不同分為半導(dǎo)體激光器和固體激光器兩類，其中半導(dǎo)體WGM激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了毫瓦級(jí)激光輸出，成為光子集成芯片中光源的主要選擇；然而固體WGM激光器的在光子集成芯片上的應(yīng)用卻受限于低輸出功率和低光-光轉(zhuǎn)換效率，造成這一現(xiàn)象的主要原因是固體WGM激光器的常用增益介質(zhì)如稀土元素?fù)诫s的鈮酸鋰和二氧化硅等材料具有熱穩(wěn)定性相對(duì)差，吸收/發(fā)射截面低等問(wèn)題，使他們不能成為理想的激光介質(zhì)。
另一方面，傳統(tǒng)的激光晶體在固體激光器的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，其中人造晶體釔鋁石榴石（YAG）由于其優(yōu)異的光學(xué)性能、激光性能、物化穩(wěn)定性等特點(diǎn)被廣泛認(rèn)可為固體激光器中最成功的的激光介質(zhì)。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，研究人員已經(jīng)在不同稀土元素?fù)诫sYAG晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從可見到中紅外波段的高功率激光輸出。然而傳統(tǒng)的YAG晶體缺乏成熟的薄膜制備技術(shù)，限制了其在微納尺寸光學(xué)器件中的應(yīng)用。
首先，研究團(tuán)隊(duì)提出了制備Nd：YAG晶體薄膜及微腔的概念圖（圖1）。其中，通過(guò)離子注入在晶體內(nèi)部引入局部缺陷，借助金剛石滑刻刀對(duì)離子注入后的表面進(jìn)行切割，增加缺陷層的暴露面積。隨后利用缺陷層與非缺陷層之間的化學(xué)腐蝕速度差將表面晶體以薄膜的形式剝離下來(lái)。最后Nd：YAG微腔由聚焦離子束（FIB）刻蝕技術(shù)制備而成。由于離子注入引入的損傷主要集中在被腐蝕區(qū)域，該方案制備的晶體薄膜具有與塊狀晶體相似的光學(xué)性質(zhì)及完整的晶格結(jié)構(gòu)。
圖1：Nd：YAG晶體薄膜及微腔制備流程示意圖。
與傳統(tǒng)的固體WGM激光器相比，Nd:YAG微腔激光器實(shí)現(xiàn)了毫瓦級(jí)激光輸出，及高達(dá)12%的光-光轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，受益于耳語(yǔ)回廊模式高Q的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了5μW的低閾值WGM激光（圖2）。
圖2：Nd：YAG微腔激光。（a）不同泵浦功率下的輸出光譜。（b）激光工作狀態(tài)下Nd：YAG光學(xué)顯微鏡圖。（c）模式1（λ?）輸出功率與半高寬隨泵浦泵率的變化。（d）模式2（λ?）輸出功率與半高寬隨泵浦泵率的變化。
此外，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了偏心微腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)在微腔內(nèi)部設(shè)計(jì)小孔有效地將自由空間的泵浦光耦合進(jìn)微腔內(nèi)，改變了光纖耦合的泵浦方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單模激光輸出。通過(guò)在泵浦條件保持不變的情況下控制微腔與波導(dǎo)之間的距離，研究了輸出功率、激光閾值、光-光轉(zhuǎn)換效率與波導(dǎo)和微腔之間距離之間的關(guān)系。（圖3）在光泵浦微腔的片上集成應(yīng)用中，波導(dǎo)耦合是最常用的耦合方式，然而，當(dāng)泵浦光和信號(hào)光均由波導(dǎo)傳輸時(shí)，需要考慮兩個(gè)波段的耦合效率。利用偏心微腔的結(jié)構(gòu)可以保證泵浦光充分利用的同時(shí)在激光波段實(shí)現(xiàn)最佳耦合。
圖3：偏心微腔激光性能。（a）偏心微腔激光示意圖。（b）（i）偏心微腔顯微鏡圖像。（ii）偏心微腔耦合顯微鏡圖像。（c）不同泵浦功率下的激光光譜。（d）激光和泵浦光與微腔和波導(dǎo)之間距離的關(guān)系。（e）激光閾值和光光轉(zhuǎn)換效率與微腔和波導(dǎo)之間耦合距離的關(guān)系。
該工作為固體微腔激光器提供了新的研究思路。通過(guò)利用離子輻照制造缺陷的方式輔助制備晶體薄膜，將傳統(tǒng)的固體激光材料與微納光學(xué)平臺(tái)相結(jié)合，為提高固體WGM激光的輸出功率和光-光轉(zhuǎn)換效率提供了新的方案。
論文信息
Li, H., Wang, Z., Wang, L. et al. Optically pumped Milliwatt Whispering-Gallery microcavity laser. Light Sci Appl 12, 223 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41377-023-01264-6
閱讀原文
特別聲明
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
