Kiseldioxidoptiska mikrokaviteter är fotoniska grundpelare, värderas för sin i själva verket extremt låga förlust i bredbandsspektra och mogna tillverkningsprocesser, men tyvärr, de lider av låg andra- och tredje ordnings optisk olinearitet. En anmärkningsvärd egenskap hos mikrokaviteten är det inneboende läckande flyktiga fältet vid ytan, som öppnar fönstret för ljus-materia-interaktioner på ytan.

Nu, en forskargrupp som leds av professor Yun-Feng Xiao vid Peking University, i samarbete med professor Xiaoqin Shen vid Shanghai Tech University, har uppnått rekordhög effektiv tredje-harmonisk generation (THG) i en ytfunktionaliserad kiseldioxidmikrokavitet. Detta arbete har publicerats online i Fysiska granskningsbrev med titeln "Microcavity nonlinear optics with a organically functionalized surface."

I det här arbetet, konjugerade organiska molekyler används för funktionalisering av mikrokavitetsytan, som håller mycket stort olinjärt optiskt svar på grund av deras stora delokaliserade elektronsystem. Genom en ytfunktionaliseringsstrategi, det är lovande att överbrygga mikrokaviteterna med hög kvalitet (Q) med det stora biblioteket av olinjära molekyler.

Med tanke på geometri och materialspridning i ett hålrum, den optiska frekvensmatchningen för pumpljus och tredje harmoniska (TH) -signal med motsvarande hålrumslägen kan förstöra den dubbelresonanta förbättringen av TH -utgången, särskilt i ultrahöga Q-mikrohålor. "Ytan förbättrad tredje ordningens olinearitet är en del av historien för effektiv THG, "sa Jin-hui Chen, en "Boya" postdoktor i gruppen av professor Xiao. "Vi utvecklar den dynamiska fasmatchningsmetoden genom att utnyttja Kerr och termiska effekter för att ta itu med den utmanande optiska lägesdispersionen i ultrahöga Q-mikrohålor."

Dessa effekter introducerar tillsammans ett frekvensskifte av kavitetslägena, och leda till den dynamiska kompensationen för både pumpen och TH -resonansfel. Som ett resultat, den ljusa TH -signalen observeras under en pumpeffekt på flera milliwatt, med maximal konverteringseffektivitet så hög som 1, 680 procent/W2, vilket är fyra storleksordningar högre än det för de bäst rapporterade rena kiseldioxidmikrohålorna. Den ultrahöga omvandlingseffektiviteten bidrar av den starka olineariteten hos organiska molekyler och den ultrahöga Q-resonansförbättringen av både pumpljus och TH-signal.

För att ytterligare identifiera ursprunget till de olinjära signalerna, forskarna analyserade pumppolarisationsberoende TH eller tredje ordningens sumfrekvens (TSF) utgång. De fann att utgången TH- eller TSF-effekt med en transversellelektrisk pumppolarisering är ungefär två storleksordningar högre än den med en tvärmagnetisk pumppolarisering på grund av ytjusteringen av organiska molekyler.

"Experimentet uppnår det högsta rekordet av THG -effektivitet i kiseldioxidfotonik, "sade professor Xiao." Ännu viktigare, arbetet kan öppna den nya horisonten för att förbättra egenskaper och utöka tillämpningar av mikrokaviteter, som är tillverkad av konventionella bulkmaterial, såsom kiseldioxid och kiselnitrid. Tekniken och mekanismen vi lärde oss och utvecklade i detta arbete, inklusive ytfunktionalisering och dynamisk-fas-matchningsmetod, kommer att fungera som grunden för olika applikationer, särskilt i bredbandsinställbar olinjär fotonik. "