光泵浦毫瓦级耳语回廊微腔激光

导读

近日，山东大学物理学院陈峰团队展示了一种新型的微腔激光器。该方案巧妙地将离子注入技术与传统的激光晶体Nd：YAG晶体结合，借助离子注入引入缺陷增强局部化学腐蚀速度，从而实现晶体薄膜的剥离，随后对薄膜进行图案化，得到毫瓦级输出的微腔激光器。该方案为微纳光学器件提供了新的研究思路。

该文章以“Optically Pumped Milliwatt Whispering-Gallery Microcavity Laser”为题发表在Light: Science & Applications，李慧琦博士为第一作者，谭杨教授与陈峰教授为通讯作者。

耳语回廊模式（WGM）由于其品质因子高、模式体积小等优势被广泛应用于低阈值激光器、量子通讯和生物传感等领域。WGM微腔激光器根据激光机制的不同分为半导体激光器和固体激光器两类，其中半导体WGM激光器已经实现了毫瓦级激光输出，成为光子集成芯片中光源的主要选择；然而固体WGM激光器的在光子集成芯片上的应用却受限于低输出功率和低光-光转换效率，造成这一现象的主要原因是固体WGM激光器的常用增益介质如稀土元素掺杂的铌酸锂和二氧化硅等材料具有热稳定性相对差，吸收/发射截面低等问题，使他们不能成为理想的激光介质。

另一方面，传统的激光晶体在固体激光器的应用中发挥着重要作用，其中人造晶体钇铝石榴石（YAG）由于其优异的光学性能、激光性能、物化稳定性等特点被广泛认可为固体激光器中最成功的的激光介质。经过几十年的研究，研究人员已经在不同稀土元素掺杂YAG晶体内实现了从可见到中红外波段的高功率激光输出。然而传统的YAG晶体缺乏成熟的薄膜制备技术，限制了其在微纳尺寸光学器件中的应用。

首先，研究团队提出了制备Nd：YAG晶体薄膜及微腔的概念图（图1）。其中，通过离子注入在晶体内部引入局部缺陷，借助金刚石滑刻刀对离子注入后的表面进行切割，增加缺陷层的暴露面积。随后利用缺陷层与非缺陷层之间的化学腐蚀速度差将表面晶体以薄膜的形式剥离下来。最后Nd：YAG微腔由聚焦离子束（FIB）刻蚀技术制备而成。由于离子注入引入的损伤主要集中在被腐蚀区域，该方案制备的晶体薄膜具有与块状晶体相似的光学性质及完整的晶格结构。

图1：Nd：YAG晶体薄膜及微腔制备流程示意图。

与传统的固体WGM激光器相比，Nd:YAG微腔激光器实现了毫瓦级激光输出，及高达12%的光-光转换效率。同时，受益于耳语回廊模式高Q的优势实现了5μW的低阈值WGM激光（图2）。

图2：Nd：YAG微腔激光。（a）不同泵浦功率下的输出光谱。（b）激光工作状态下Nd：YAG光学显微镜图。（c）模式1（λ₁）输出功率与半高宽随泵浦泵率的变化。（d）模式2（λ₂）输出功率与半高宽随泵浦泵率的变化。

此外，研究团队设计了偏心微腔结构，通过在微腔内部设计小孔有效地将自由空间的泵浦光耦合进微腔内，改变了光纤耦合的泵浦方式，同时实现了单模激光输出。通过在泵浦条件保持不变的情况下控制微腔与波导之间的距离，研究了输出功率、激光阈值、光-光转换效率与波导和微腔之间距离之间的关系。（图3）在光泵浦微腔的片上集成应用中，波导耦合是最常用的耦合方式，然而，当泵浦光和信号光均由波导传输时，需要考虑两个波段的耦合效率。利用偏心微腔的结构可以保证泵浦光充分利用的同时在激光波段实现最佳耦合。