【会员论文】宁波大学、中科院苏州纳米所、浙江万里学院：双波长飞秒激光器泵浦的氧化镓波导产生超连续谱

        由宁波大学、中科院苏州纳米所、浙江万里学院的研究团队在学术期刊《中国激光》发布了一篇名为 Dual-Wavelength Femtosecond Laser Pumped Supercontinuum Generation in Gallium Oxide Waveguides （双波长飞秒激光器泵浦的氧化镓波导产生超连续谱）的文章。

        中红外超连续谱光源在红外对抗、气体监测及生物医学成像等领域具有重大价值，然而传统硅基波导因双光子吸收严重限制了其高功率输出，而硫属玻璃等材料虽非线性系数高却极易发生高功率热损伤，相比之下，超宽禁带半导体氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借极宽的透明窗口（0.25–5 um）、几乎可忽略的双光子吸收以及超高的光学击穿阈值，成为制备高功率集成中红外非线性光子器件的理想基底，但此前单波长泵浦策略的光谱展宽效率受限于固有的色散结构，为此研究团队提出利用双波长飞秒激光共同泵浦的全新策略，旨在通过引入交叉相位调制等多种非线性协同效应来突破光谱展宽的瓶颈。

        · 研究首次将双波长飞秒激光（1.1 um 和 1.55 um）同时泵浦集成 β-Ga₂O₃ 脊型波导。相比于传统的单波长泵浦，该设计通过双脉冲在时间与空间上的高效重叠，极大地增强了光与物质的非线性相互作用。

        · 在双波长联合泵浦下，仅通过长度为 6 mm 的紧凑型氧化镓波导，成功产生了跨越紫外、可见光至中红外区域的超连续谱。其光谱最宽覆盖范围延伸至 2250 nm（对应于 TE 模式激发），表现出极高的展宽效率。

        · 通过数值模拟与实验对比，深入阐明了光谱展宽的微观物理机制。结果表明，双波长泵浦不仅触发了单脉冲自发产生的自相位调制（SPM）和孤子自频移（SSFS），还通过两束光之间的交叉相位调制（XPM）与四波混频（FWM）效应，实现了光谱在短波和长波方向的对称大幅扩张。

        · 研究系统探讨了泵浦光偏振角度对成谱效率的影响。证实了在脊型波导结构中，TE 模式（0° 偏振角）由于具有更强的光场限制能力和更低的传播损耗，其有效非线性作用长度更长，从而能够获得比 TM 模式（90° 偏振角）更宽、更充沛的长波红外输出。

        · 依托于氧化镓材料高击穿阈值的硬核保障，器件在耐受高能量密度脉冲的同时保持了极高的结构稳定性，本工作为开发紧凑型、高性能、低功耗的氧化镓基单片集成中红外全光控制芯片奠定了关键的技术基础。

        本文成功设计并制备了空气包层的 Ga₂O₃ 脊型光波导，并创新性地提出了一种基于色散工程与双波长（1.55 µm 与 1.97 µm）飞秒脉冲联合泵浦的 SC 产生方案。实验结果表明，双波长泵浦有助于实现更宽光谱覆盖，得益于近零色散双波长协同激发的自相位调制等高效非线性相互作用，产生了覆盖1.2 µm 至 2.3 µm 的宽带 SC，并具有良好的光谱平坦度。在理想或低损耗条件下，从非线性机制角度分析，该结构具备向更长波长拓展的潜在能力，但实际可达带宽将显著受材料吸收损耗限制。本工作不仅实现了迄今为止基于 Ga₂O₃ 波导报道的最宽 SC输出，也为开发紧凑型、低成本的新型中红外片上非线性光源提供了全新的技术途径与重要实验依据。

图1 波导制备流程

图2 双波长飞秒激光泵浦 Ga₂O₃ 波导光路图

图3 波导设计。(a)截面图；(b)色散曲线及其 TE 模模场分布

图4 光源和光纤输出光谱。(a)光源光谱；(b)光纤光谱

图5 Ga₂O₃ 波导产生光谱。(a)可见光光谱；(b)不同泵浦功率下 SC

图6 不同泵浦波长下光谱演化图。(a)1.55 μm；(b)1.97 μm

图7 不同泵浦功率下实验和模拟光谱的对比

图8 波导 2.4 μm 处光场图

图9 不同偏振角激光泵浦的光波导长波长侧的 SC 谱

知网链接：

https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=g8n7TwuHW-DXRN1A8UiD1h7tOXlpGg_U_4zfuBZREYj4XF0FvizwB5M702KDPDU7biiq4cHOUT-g2tEu6V4PlZbKyLcxXQZXf0WJebZM_6hiYKsmgbtRsgSqglUGU8D-bEg7Q8oMMqZ8_r4wOACumeatOPZkniqpLlsmQjnyzb8Eh_9zaW10IA==&uniplatform=NZKPT&language=CHS