導 讀
近日，山東大學物理學院陳峰團隊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與傳統(tǒng)的激光晶體Nd：YAG晶體結合，借助離子注入引入缺陷增強局部化學腐蝕速度，從而實現(xiàn)晶體薄膜的剝離，隨后對薄膜進行圖案化，得到毫瓦級輸出的微腔激光器。該方案為微納光學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。
耳語回廊模式（WGM）由于其品質因子高、模式體積小等優(yōu)勢被廣泛應用于低閾值激光器、量子通訊和生物傳感等領域。WGM微腔激光器根據(jù)激光機制的不同分為半導體激光器和固體激光器兩類，其中半導體WGM激光器已經(jīng)實現(xiàn)了毫瓦級激光輸出，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用卻受限于低輸出功率和低光-光轉換效率，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如稀土元素摻雜的鈮酸鋰和二氧化硅等材料具有熱穩(wěn)定性相對差，吸收/發(fā)射截面低等問題，使他們不能成為理想的激光介質。
另一方面，傳統(tǒng)的激光晶體在固體激光器的應用中發(fā)揮著重要作用，其中人造晶體釔鋁石榴石（YAG）由于其優(yōu)異的光學性能、激光性能、物化穩(wěn)定性等特點被廣泛認可為固體激光器中最成功的的激光介質。經(jīng)過幾十年的研究，研究人員已經(jīng)在不同稀土元素摻雜YAG晶體內實現(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，限制了其在微納尺寸光學器件中的應用。
首先，研究團隊提出了制備Nd：YAG晶體薄膜及微腔的概念圖（圖1）。其中，通過離子注入在晶體內部引入局部缺陷，借助金剛石滑刻刀對離子注入后的表面進行切割，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腐蝕速度差將表面晶體以薄膜的形式剝離下來。最后Nd：YAG微腔由聚焦離子束（FIB）刻蝕技術制備而成。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性質及完整的晶格結構。
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微腔激光器實現(xiàn)了毫瓦級激光輸出，及高達12%的光-光轉換效率。同時，受益于耳語回廊模式高Q的優(yōu)勢實現(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，研究團隊設計了偏心微腔結構，通過在微腔內部設計小孔有效地將自由空間的泵浦光耦合進微腔內，改變了光纖耦合的泵浦方式，同時實現(xiàn)了單模激光輸出。通過在泵浦條件保持不變的情況下控制微腔與波導之間的距離，研究了輸出功率、激光閾值、光-光轉換效率與波導和微腔之間距離之間的關系。（圖3）在光泵浦微腔的片上集成應用中，波導耦合是最常用的耦合方式，然而，當泵浦光和信號光均由波導傳輸時，需要考慮兩個波段的耦合效率。利用偏心微腔的結構可以保證泵浦光充分利用的同時在激光波段實現(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之間距離的關系。（e）激光閾值和光光轉換效率與微腔和波導之間耦合距離的關系。
該工作為固體微腔激光器提供了新的研究思路。通過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平臺相結合，為提高固體WGM激光的輸出功率和光-光轉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
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