導 讀

近日，山東(dong) 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(yu) 傳(chuan) 統的激光晶體(ti) Nd：YAG晶體(ti) 結合，借助離子注入引入缺陷增強局部化學腐蝕速度，從(cong) 而實現晶體(ti) 薄膜的剝離，隨後對薄膜進行圖案化，得到毫瓦級輸出的微腔激光器。該方案為(wei) 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(wei) 題發表在Light: Science & Applications，李慧琦博士為(wei) 第一作者，譚楊教授與(yu) 陳峰教授為(wei) 通訊作者。

耳語回廊模式（WGM）由於(yu) 其品質因子高、模式體(ti) 積小等優(you) 勢被廣泛應用於(yu) 低閾值激光器、量子通訊和生物傳(chuan) 感等領域。WGM微腔激光器根據激光機製的不同分為(wei) 半導體(ti) 激光器和固體(ti) 激光器兩(liang) 類，其中半導體(ti) WGM激光器已經實現了毫瓦級激光輸出，成為(wei) 光子集成芯片中光源的主要選擇；然而固體(ti) WGM激光器的在光子集成芯片上的應用卻受限於(yu) 低輸出功率和低光-光轉換效率，造成這一現象的主要原因是固體(ti) WGM激光器的常用增益介質如稀土元素摻雜的铌酸鋰和二氧化矽等材料具有熱穩定性相對差，吸收/發射截麵低等問題，使他們(men) 不能成為(wei) 理想的激光介質。

另一方麵，傳(chuan) 統的激光晶體(ti) 在固體(ti) 激光器的應用中發揮著重要作用，其中人造晶體(ti) 釔鋁石榴石（YAG）由於(yu) 其優(you) 異的光學性能、激光性能、物化穩定性等特點被廣泛認可為(wei) 固體(ti) 激光器中最成功的的激光介質。經過幾十年的研究，研究人員已經在不同稀土元素摻雜YAG晶體(ti) 內(nei) 實現了從(cong) 可見到中紅外波段的高功率激光輸出。然而傳(chuan) 統的YAG晶體(ti) 缺乏成熟的薄膜製備技術，限製了其在微納尺寸光學器件中的應用。

首先，研究團隊提出了製備Nd：YAG晶體(ti) 薄膜及微腔的概念圖（圖1）。其中，通過離子注入在晶體(ti) 內(nei) 部引入局部缺陷，借助金剛石滑刻刀對離子注入後的表麵進行切割，增加缺陷層的暴露麵積。隨後利用缺陷層與(yu) 非缺陷層之間的化學腐蝕速度差將表麵晶體(ti) 以薄膜的形式剝離下來。最後Nd：YAG微腔由聚焦離子束（FIB）刻蝕技術製備而成。由於(yu) 離子注入引入的損傷(shang) 主要集中在被腐蝕區域，該方案製備的晶體(ti) 薄膜具有與(yu) 塊狀晶體(ti) 相似的光學性質及完整的晶格結構。

圖1：Nd：YAG晶體(ti) 薄膜及微腔製備流程示意圖。

與(yu) 傳(chuan) 統的固體(ti) WGM激光器相比，Nd:YAG微腔激光器實現了毫瓦級激光輸出，及高達12%的光-光轉換效率。同時，受益於(yu) 耳語回廊模式高Q的優(you) 勢實現了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）激光工作狀態下Nd：YAG光學顯微鏡圖。（c）模式1（λ₁）輸出功率與(yu) 半高寬隨泵浦泵率的變化。（d）模式2（λ₂）輸出功率與(yu) 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(nei) 部設計小孔有效地將自由空間的泵浦光耦合進微腔內(nei) ，改變了光纖耦合的泵浦方式，同時實現了單模激光輸出。通過在泵浦條件保持不變的情況下控製微腔與(yu) 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(yu) 波導和微腔之間距離之間的關(guan) 係。（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(chuan) 輸時，需要考慮兩(liang) 個(ge) 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(yu) 微腔和波導之間距離的關(guan) 係。（e）激光閾值和光光轉換效率與(yu) 微腔和波導之間耦合距離的關(guan) 係。

該工作為(wei) 固體(ti) 微腔激光器提供了新的研究思路。通過利用離子輻照製造缺陷的方式輔助製備晶體(ti) 薄膜，將傳(chuan) 統的固體(ti) 激光材料與(yu) 微納光學平台相結合，為(wei) 提高固體(ti) 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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