南京大學介電體超晶格實驗室的謝臻達教授、祝世寧院士課題組的賈琨鵬博士後和汪小涵博士等在光學微腔研究中取得重要突破，以鈮酸鋰介電超晶格資料為基礎，首次提出並實驗驗證了稱為盒形微腔的新型光學微腔構型。該微腔突破了傳統微腔對於頻率匹配的嚴格限制，實現了寬帶連續可調諧的微腔雷射器，在中紅外波段輸出功率達到數百毫瓦，對於高精度光譜學等應用具有重要意義。
高品質因數的光學微腔已經成為近年來光學研究關注的焦點，其中的新型線性和非線性光學效應層出不窮，並有望產生一系列集成化光子器件，推動光學頻率梳、高性能雷射器等關鍵器件的效能提升、小型化和產業應用。然而基於現有光學微腔尚不能滿足某些實際應用的需求，例如光學微腔雷射器受到頻率匹配的嚴格限制，無法滿足可調諧雷射器對於輸出波長連續調諧的需求。解决上述問題需要探索新的微腔幾何構型，實現非嚴格的頻率匹配。
針對上述問題，南京大學團隊研究人員設計了盒型微腔的新型幾何結構，發展並完善了整套製備工藝，以鈮酸鋰介電體超晶格為基礎，僅僅利用機械拋光和光學鍍膜的方法就實現了單波長共振的盒形微腔光參量振盪器。該盒形微腔具有接近鈮酸鋰資料吸收極限的品質因數（Q=2.3 ×；107）。通過改變盒形微腔兩端面上的高反膜層參數，可以自由選擇共振波長，從而打破了傳統光學微腔對於多波長耦合的頻率選擇限制，首次在光學微腔中實現了單共振光參量振盪，在中紅外波段獲得了227GHz的連續可調諧範圍。同時得益於盒形微腔近資料極限的品質因數，該雷射線寬僅為kHz級別，具備分辨分子原子精細光譜結構的能力，研究人員成功將該光源用於低壓甲烷氣體的特徵吸收譜線量測，與理論計算的吸收譜線的比對精度達到了MHz級別，對於推動高精度光譜學的外場部署應用具有重要意義。
圖（a-c）展示了鈮酸鋰介電超晶格盒形微腔的設計、製備和表徵。盒形微腔採用法布裏帕羅光腔結構，囙此可以通過改變端面膜系來自由選擇共振波長，實現中紅外閑頻光隨近紅外泵浦雷射的快速連續調諧。鈮酸鋰介電超晶格資料以上下兩層折射率略低的鉭酸鋰作為襯底，形成大模場波導結構，避免了在一般體塊資料中的繞射損耗。精密機械拋光保證了盒形微腔側壁具有納米級別的粗糙度，降低了光在微腔中的傳輸損耗，實現了接近鈮酸鋰資料吸收極限的品質因數和較低的振盪閾值。圖（d）展示了盒形微腔光參量振盪的功率調諧和波長調諧，中紅外雷射輸出功率最高可達0.43W，波長粗調諧範圍超過600nm，無跳模調諧範圍達227GHz。圖（e）展示了低壓甲烷中紅外波段吸收譜線的量測結果，測量範圍達3.7cm-1，吸收峰頻率準確度方差達0.97 MHz，實現了快速、高精度的量測。
圖鈮酸鋰介電超晶格盒形微腔的（a）設計、（b）製備和（c）品質因數表徵。（d）功率調諧測試、波長粗調諧測試、無跳模調諧測試。（e）低壓甲烷吸收譜線量測。
該工作以“Midinfrared Tunable Laser with Noncritical Frequency Matching in Box Resonator Geometry”為題發表在《Physical Review Letters》上。南京大學博士後賈琨鵬和博士生汪小涵為該項成果的共同第一作者，南京大學謝臻達教授和祝世寧院士為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計畫（2019YFA0705000，2017YFA0303700）、國家自然科學基金（51890861，11690031，11621091，11674169）、江蘇省自然科學基金前沿技術項目（BK20192001）和廣東省重點研發計畫（2018B030329001），廣東省基礎與應用基礎研究重大專案和江蘇省博士後科研資助計畫的資助（2021K259B）。
論文連結：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.213902