四川大学电子信息学院梁厚昆团队在新型片上中红外激光器的研究方面取得重要进展

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小型化高效率中红外激光器是近些年中红外领域的研究重点，其在中红外光谱探测、超灵敏分子遥感、环境实时监测等应用方面意义重大。基于非线性频率转换的片上中红外激光器因其可实现超宽带光谱输出、超短脉冲激射而被认为是除量子级联激光器外小型化中红外激光的最有前景的解决方案之一。然而目前该类型中红外激光器的研究主要集中于基于硅、锗等材料的三阶非线性波导平台上，其往往需要复杂精细的波导色散调控、高品质因数的微型谐振腔来实现较高效率的中红外激光输出。因此寻求简单高效的基于非线性频率转换的片上中红外激光产生是亟待解决的一项技术难题。

基于以上重大需求和挑战，我校电子信息学院梁厚昆团队联合深圳技术大学杨焕团队基于“材料二阶非线性响应远大于三阶非线性响应”的指导思想，结合晶圆键合、光学抛磨、激光直写等现有成熟技术(见图1)，首次成功实现将双折射晶体进行片上集成，开发了一种全新的基于非线性频率转换的中红外波导平台。通过波导尺寸设计，基于双折相位匹配，实现了低阈值、高效率可宽带调谐的长波长中红外激光，相比于传统基于块状晶体的单通非线性频率转换光源而言，其量子转换效率提升了两个数量级，高达74%，并将现有中红外激光产生阈值降低了一个量级。该工作为下一代高效率中红外激光产生提供的新的研究方向，也为其他双折射晶体小型化提供了有利的指导。文章以Highly efficient octave-spanning long-wavelength infrared generation with a 74% quantum efficiency in a χ(2) waveguide为题发表在Nature Communications. 我校电子信息学院2021级博士研究生胡波和2023级博士研究生杨雪梅为共同第一作者(共3人)，四川大学为论文第一完成单位，梁厚昆教授和吴函副研究员为共同通信作者(共3人)。

该工作是梁厚昆教授领导的中红外超快激光团队近期在中红外激光研究领域的最新进展。团队一直致力于解决超快中红外激光的产生及应用等方面的问题，在光源产生方面，实现了包括高效率片上中红外激光(Nat. Commun. 2023),中红外超快激光驱动的固体高次谐波(Nature Commun. Phys. 2023,6: 228),光纤激光泵浦的高自由度中红外激光(Photon. Res. 2023, 11: 808)等高品质光源;在中红外应用方面，团队积极响应四川大学医工结合等重大科研战略，探索中红外超快激光在生物医疗等方面的应用场景(Laser Photo. Rev. 2023,2300421)，率先提出了中红外激光应用于高精度外科手术的新蓝图，助力人类生命健康再上新高度。

图1.波导制作流程图

图2.装置图和输出激光特性图

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