近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所聯(lián)合華東師范大學(xué)、華南理工大學(xué)、之江實驗室等單位，基于高品質(zhì)因子的薄膜鈮酸鋰微盤腔，實現(xiàn)了高效的橫向非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換。

高階非線性光學(xué)過程是推動深紫外相干光源、量子通信和超快光學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。然而，這類過程即使借助高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔來增強光與物質(zhì)相互作用，仍面臨高階非線性極化率隨階數(shù)指數(shù)衰減以及嚴(yán)格的寬帶相位匹配要求這兩個挑戰(zhàn)。

該研究通過設(shè)計薄膜鈮酸鋰微盤腔的色散，并采用飛秒激光光刻輔助化學(xué)機械拋光技術(shù)，制備出高品質(zhì)因子的微盤腔。在1546 nm波段連續(xù)激光泵浦下，該鈮酸鋰微腔在1713 nm和1922 nm波長處分別產(chǎn)生雙向受激拉曼散射（SRS）和級聯(lián)SRS信號。其中，雙向SRS信號在微腔內(nèi)誘導(dǎo)生成自組織的光折變光柵，提供了額外的光學(xué)動量，補償后續(xù)非線性過程所需的相位失配。同時，受背向瑞利散射影響，部分前向傳輸?shù)谋闷止獗晦D(zhuǎn)化為背向模式。隨著泵浦光波長從1545.6 nm連續(xù)調(diào)諧到1546.1 nm，雙向傳輸?shù)谋闷止鈱⑴c同樣雙向傳輸?shù)募壜?lián)SRS信號逐步發(fā)生和頻、四波到六波混頻的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程。受相位匹配條件約束，這些雙向傳輸?shù)姆蔷€性信號主要以近乎垂直于微腔平面的角度向腔外發(fā)射，以微小角度差出射的非線性輻射信號經(jīng)干涉在CCD上形成了周期排布性的條紋，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。其中，和頻轉(zhuǎn)換效率達590%/W。

上述成果有望應(yīng)用于片上量子光源產(chǎn)生、光信息顯示、高靈敏傳感、集成光信息處理等場景，將推動片上紫外光源和多通道量子通信等領(lǐng)域的發(fā)展。

相關(guān)研究成果作為編輯推薦文章，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

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橫向多波混頻過程