Overfladefunktionaliseret mikrokavitet øger ikke -lineær optik

Optiske mikrokaviteter af silica er fotoniske hovedenheder, værdsat for deres iboende ultra-lave tab i bredbåndsspektre og modne fremstillingsprocesser, men desværre, de lider af lav anden- og tredjeordens optisk ikke-linearitet. Et bemærkelsesværdigt træk ved mikrohulrummet er det iboende utætte flygtige felt ved overfladen, som åbner vinduet for lys-stof interaktioner på overfladen.

Nu, en forskergruppe ledet af professor Yun-Feng Xiao ved Peking Universitet, i samarbejde med professor Xiaoqin Shen ved Shanghai Tech University, har opnået rekordhøj effektiv tredjeharmonisk generation (THG) i et overfladefunktionaliseret silica-mikrohulrum. Dette arbejde er blevet offentliggjort online i Fysisk gennemgangsbreve med titlen "Microcavity ikke-lineær optik med en organisk funktionaliseret overflade."

I dette arbejde, konjugerede organiske molekyler anvendes til funktionalisering af mikrohuleoverfladen, som holder meget stor ikke-lineær optisk respons på grund af deres store delokaliserede elektronsystemer. Gennem en overfladefunktionaliseringsstrategi, det er lovende at bygge bro mellem højkvalitetsfaktoren (Q) mikrohulrum med det store bibliotek af ikke-lineære molekyler.

Givet geometrien og materialespredningen i et hulrum, det optiske frekvensmisforhold for pumpelys og tredje harmonisk (TH) signal med deres tilsvarende hulrumstilstande kan ødelægge den dobbelte resonansforstærkning af TH-output, især i ultrahøj-Q mikrohulrum. "Den overfladeforstærkede tredjeordens ikke-linearitet er en del af historien for effektiv THG, " sagde Jin-hui Chen, en "Boya" postdoktor i gruppen af ​​professor Xiao. "Vi udvikler den dynamiske fasetilpasningsmetode ved at udnytte Kerr og termiske effekter til at tackle den udfordrende optiske tilstandsspredning i mikrohulrum med ultrahøj Q."

Disse effekter indfører i fællesskab et frekvensskift af hulrumstilstandene, og føre til den dynamiske kompensation af både pumpen og TH-resonansmismatch. Som resultat, det lyse TH -signal observeres under en pumpeeffekt på flere milliwatt, med maksimeret konverteringseffektivitet så høj som 1, 680 procent/W2, hvilket er fire størrelsesordener højere end det for de bedst rapporterede rene silica-mikrohulrum. Den ultrahøje konverteringseffektivitet er bidraget af den stærke ikke-linearitet af organiske molekyler og den ultrahøje Q-resonante forbedring af både pumpelys og TH-signal.

For yderligere at identificere oprindelsen af ​​de ikke-lineære signaler, forskerne analyserede pumpens polarisationsafhængige TH eller tredje-ordens sumfrekvens (TSF) output. De fandt ud af, at udgangseffekten TH eller TSF med en tværgående elektrisk pumpepolarisering er omkring to størrelsesordener højere end den med en tværgående magnetisk pumpepolarisering på grund af overfladejusteringen af ​​organiske molekyler.

"Eksperimentet opnår den højeste rekord for THG-effektivitet i silicafotonik, " sagde professor Xiao. "Endnu vigtigere, arbejdet kan åbne den nye horisont for at forbedre egenskaber og udvide anvendelser af mikrohulrum, som er lavet af konventionelle bulkmaterialer, såsom silica og siliciumnitrid. Teknologien og mekanismen vi lærte og udviklede i dette arbejde, herunder overfladefunktionalisering og dynamisk fase-tilpasningsmetode, vil fungere som grundlaget for forskellige applikationer, især i bredbåndsstemmelig ikke -lineær fotonik. "