近日，中國科學院上海光學精密機械研究所聯(lián)合華東師范大學、華南理工大學、之江實驗室等單位，基于高品質因子的薄膜鈮酸鋰微盤腔，實現(xiàn)了高效的橫向非線性光學頻率轉換。

高階非線性光學過程是推動深紫外相干光源、量子通信和超快光學等領域發(fā)展的關鍵物理基礎。然而，這類過程即使借助高品質因子的光學微腔來增強光與物質相互作用，仍面臨高階非線性極化率隨階數(shù)指數(shù)衰減以及嚴格的寬帶相位匹配要求這兩個挑戰(zhàn)。

該研究通過設計薄膜鈮酸鋰微盤腔的色散，并采用飛秒激光光刻輔助化學機械拋光技術，制備出高品質因子的微盤腔。在1546 nm波段連續(xù)激光泵浦下，該鈮酸鋰微腔在1713 nm和1922 nm波長處分別產(chǎn)生雙向受激拉曼散射（SRS）和級聯(lián)SRS信號。其中，雙向SRS信號在微腔內誘導生成自組織的光折變光柵，提供了額外的光學動量，補償后續(xù)非線性過程所需的相位失配。

同時，受背向瑞利散射影響，部分前向傳輸?shù)谋闷止獗晦D化為背向模式。隨著泵浦光波長從1545.6 nm連續(xù)調諧到1546.1 nm，雙向傳輸?shù)谋闷止鈱⑴c同樣雙向傳輸?shù)募壜?lián)SRS信號逐步發(fā)生和頻、四波到六波混頻的非線性頻率轉換過程。受相位匹配條件約束，這些雙向傳輸?shù)姆蔷€性信號主要以近乎垂直于微腔平面的角度向腔外發(fā)射，以微小角度差出射的非線性輻射信號經(jīng)干涉在CCD上形成了周期排布性的條紋，具有較高的轉換效率。其中，和頻轉換效率達590%/W。

上述成果有望應用于片上量子光源產(chǎn)生、光信息顯示、高靈敏傳感、集成光信息處理等場景，將推動片上紫外光源和多通道量子通信等領域的發(fā)展。
相關研究成果作為編輯推薦文章，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。（來源：中國科學院上海光學精密機械研究所）