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超低阈值和高度定向发射的微型激光

 “介观光学与飞秒光物理”研究群体肖云峰研究员和龚旗煌教授及研究生最近在非对称光学微腔的研究中取得重要进展。他们首次在硅芯片上制备出了同时具备超高品质因子和高度定向发射的非对称光学微腔。光学微腔的品质因子超过10^8,超过国际上同类微腔四个量级以上。这一研究结果被选为封面文章发表在《先进材料》(Advanced Material)特刊《先进光材料》(Advanced Optical Materials)上[“Highly unidirectional emission and ultralow-threshold lasing from on-chip ultrahigh-Q microcavities”,Advanced Material (September 2012),DOI: 10.1002/adma.201201229]。论文第一作者为博士生姜雪峰,合作者还包括中国科学技术大学和美国圣路易斯华盛顿大学的研究人员。

 近年来,随着集成光子学的发展,芯片可集成的低阈值微型激光器的研究得到了国际学术界的越来越多关注。对于激光器来说,最重要的组成部分是光学谐振腔。激光激射的阈值一般反比于光学谐振腔的品质因子,因而具有极高品质因子的光学回音壁模式逐渐成为微型激光器研究的热点。然而,传统的回音壁模式微腔具有旋转对称性,其激光出射是各向同性的,不利于实际应用。

 在前期工作的基础上(Phys. Rev. A. 85, 013843 (2012); Phys. Rev. A 83, 053835 (2011); Opt. Lett. 34, 509-511 (2009)),群体人员利用混沌诱导的隧穿机制,设计了一种特殊的非对称光学微腔,不但支持超高品质因子的回音壁模式,而且模式能量主要沿着特殊设计的方向出射。实验上,他们发展了一种全新的两步干法刻蚀技术,第一次成功的制备出了这种非对称微芯圆环腔,品质因子高达10^8。基于同样技术手段制备的铒掺杂非对称微腔激光器阈值小于2微瓦,并且表现出极佳的单向性出射,实验测量的远场发射角小于10°。这项研究工作不但对集成光子学芯片的微型光源具有重要意义,而且还可以应用于某些重要的基础物理研究,例如强耦合物理和腔光力学等。

 研究工作得到了国家自然科学基金,教育部新教师基金,北京大学和介观物理国家重点实验室的资助。

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