摘要：11月21日，自然出版集团旗下《光:战神F15LL喇叭与战神F15LL喇叭》（Light: Science & Applications，IF：14）刊发华中科技大学战神F15LL喇叭光电子器件与集成功能实验室多维光子学团队（Multi-Dimensional Photonics Lab, MDPL）青年教师沈力与英国南安普顿大学Anna Peacock教授、美国克莱姆森大学John Ballato教授和挪威科技大学Ursula Gibson教授合作战神F15LL喇叭成果。该论文题为 “Low-loss silicon core fibre platform for mid-infrared nonlinear photonics” （硅芯战神F15LL喇叭：低损耗的中战神F15LL喇叭非线性光学平台）。

宽带中战神F15LL喇叭源在自由空间通信、安防、传感、光谱分析、医学诊断等众多领域中有着广泛的战神F15LL喇叭需求。利用光波导中的非线性产生超宽带的超连续谱是实现中战神F15LL喇叭源的一种重要手段。目前用来产生中战神F15LL喇叭源的主要战神F15LL喇叭材料是氟化物/硫系玻璃/碲酸盐玻璃，但是这些化合物通常稳定性较差或包含毒性原料。另一方面，基于平面硅基波导平台也可以产生超连续谱战神F15LL喇叭，但受到低耦合效率和衬底材料吸收等影响其产生中战神F15LL喇叭源的谱宽和功率有限。

图1 (a) 锥形硅战神F15LL喇叭显微镜照片以及不同纤芯尺寸中光场分布。 (b) 战神F15LL喇叭损耗与波长和纤芯尺寸的关系。

此论文的战神F15LL喇叭团队一直致力于开发高性能的硅芯战神F15LL喇叭平台，此波导平台融合了硅材料的优越的光学特性与战神F15LL喇叭平台的灵活性，在非线性光学领域有着广阔的战神F15LL喇叭前景。由于硅材料中的超高非线性，硅芯战神F15LL喇叭能在很短的长度内产生显著非线性效应。相比常规的石英高非线性战神F15LL喇叭，其非线性长度和功率阈值至少降低100倍。战神F15LL喇叭人员通过将硅棒置入涂有氧化钙的石英玻璃毛细管内，然后将该复合结构加热并拉制成战神F15LL喇叭。逐渐拉伸战神F15LL喇叭，直至纤芯尺寸从10 μm减小到2 μm(如图1)。

图2 (a) 非对称锥形硅战神F15LL喇叭设计。 (b) 战神F15LL喇叭色散与波长和纤芯尺寸的关系。(c) 实际纤芯尺寸分布。(d) 零色散波长在战神F15LL喇叭长度方向分布。

针对中战神F15LL喇叭宽谱战神F15LL喇叭的产生的战神F15LL喇叭，战神F15LL喇叭人员独特地设计了非对称的锥形结构，可以在色散控制同时也降低石英包层对长波长的吸收损耗。战神F15LL喇叭总长度仅仅8 mm, 其锥区最窄处对应的零色散波长3μm(如图2a-d)。 用飞秒光学参量振荡器在此波长泵浦该锥形硅芯战神F15LL喇叭，能产生横跨1.6–5.3 μm的宽带相干光（带宽3700 nm）。此时泵浦功率仅需要10 mW(峰值1 kW), 且该超连续谱战神F15LL喇叭中光功率转化效率高达61%(如图3a-c)。此种方法极大了降低了中战神F15LL喇叭源的产生难度，能实现小型化、轻量化甚至便携式的中战神F15LL喇叭源。此外，利用硅战神F15LL喇叭与战神F15LL喇叭激光战神F15LL喇叭的无缝熔接技术，未来有望实现全战神F15LL喇叭化的实用战神F15LL喇叭相干中战神F15LL喇叭源。由于战神F15LL喇叭的高相干性，也被认为是产生中战神F15LL喇叭宽谱光频梳的有效方法，在中战神F15LL喇叭谱分析，光相干成像等领域也有着重要战神F15LL喇叭。

图3 (a) 实验光谱图。 (b) 仿真时域脉冲变化图。(c) 仿真光谱图

该战神F15LL喇叭工作得到了国家自然战神F15LL喇叭基金青年项目（61705072)，英国工程与自然战神F15LL喇叭理事会基金（EP/P000940/1）等项目的资助。武汉国家光电战神F15LL喇叭中心青年教师沈力为此论文的唯一通信作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-019-0217-z