北京大学物理学院现代光学研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理全国重点实验室肖云峰教授和曹启韬副研究员领导的课题组，联合南开大学薄方教授课题组，在非线性光学微腔领域取得重要进展。研究团队建立了微腔非线性频率转换过程的统一理论框架，揭示了二次谐波产生过程中的非线性色散和耗散双重抑制效应，并首次在实验上实现了非线性临界耦合（Nonlinear Critical Coupling）条件下的超高谐波转换效率。相关成果以“迈向非线性光学微腔中的极限效率频率转换”（Toward ultimate-efficiency frequency conversion in nonlinear optical microresonators）为题，于2025年5月2日发表于《科学·进展》（Science Advances）。

非线性频率转换是实现不同频段光信号之间高效互联的关键过程，广泛应用于光通讯、光谱学和量子信息等领域。相较于传统块状晶体材料体系，光学微腔凭借优异的光场时空局域特性，不仅能实现低功耗高效频率转换，还兼具微型化和可扩展的优势。然而，由于耗散效应和其它非线性效应的竞争，微腔非线性频率转换效率通常被限制在30%左右；进一步提高泵浦光功率不仅无法提升效率，反而会导致效率下降和系统失稳（如图1）。针对这一关键挑战，课题组建立了完整描述微腔非线性频率转换过程的理论模型，揭示了非线性色散和耗散效应如何抑制转换效率。理论上，课题组首次发现绝对转换效率极限的关键因子M，其完全由微腔工艺和材料特性决定；还建立了严格的非线性临界耦合条件，为突破现有效率瓶颈提供了理论指导。

图1 考虑色散型和耗散型抑制效应下的绝对转换效率随泵浦功率变化的理论示意图；插图：基于微腔的二次谐波产生过程示意图。

实验上，研究团队制备了高品质因子周期极化铌酸锂集成微腔。通过系统的实验表征，精确测定了关键因子M的数值，并据此确定了该关键因子对应的非线性临界耦合条件。为验证理论预测，团队创新性地开发了双色光场泵浦-探测技术，首次实现了对色散耦合和耗散耦合共同导致的效率抑制效应的原位观测与参数提取；基于实时监测数据动态调控微腔参数，最终成功达到非线性临界耦合条件。在毫瓦量级的泵浦功率下，研究团队实现了61.3%的片上二次谐波转换效率（如图2所示），创下了微腔光学平台的最高纪录。

图2 a，实测绝对转换效率随泵浦功率的变化关系；b，不同外耦合速率下的ACE测试数据。

北京大学物理学院博士生汪芷砚和南开大学物理科学学院博士生吴肖为该论文的共同第一作者，肖云峰、曹启韬和薄方为该论文的共同通讯作者。其他主要合作者包括北京大学物理学院纳光电子前沿科学中心杨起帆研究员、胡耀文研究员、杨晨博士后，南开大学郝振中副教授等。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，纳光电子加工与测试公共平台，新基石研究员等项目的支持。

论文原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu7605