频率梳作为连接电磁频谱不同频率的桥梁,已成为现代光学和光子学领域的核心工具。它不仅是超快科学的基础,还在高精度测量、精准时间基准、光谱分析以及量子信息等众多领域展现出广泛的应用价值。随着科技的进步,频率梳技术经历了从传统激光器到微腔光学频率梳的演变,然而实现多倍频段(multi-octave)范围内的频率梳生成,特别是在芯片级集成设备中,一直是科研界面临的巨大挑战。传统的方法通常依赖于高能量的泵浦源及复杂的光学非线性过程,导致系统在体积、能耗以及成本方面存在较大制约。近期,纳米光子学的迅速发展为这一难题带来了突破性的解决方案。基于纳米级铌酸锂光子芯片的参量振荡器技术实现了多倍频段频率梳的高效生成,并且其所需的泵浦能量降至飞焦耳量级,远低于其他现有方案,在保持频率梳相干性和稳定性的同时极大节省了能耗。
多倍频段频率梳的生成对于光学频率合成、超快激光脉冲产生及高分辨光谱技术具有革命性的意义。铌酸锂作为一种非线性光学材料,因其高非线性系数、优良的电光调制性能及宽广的透明窗口,成为纳米尺度光子结构的理想材料。通过在纳米波导中实现精确的色散工程,可以优化非线性过程中的相位匹配条件,从而极大提升参量振荡器的效率和带宽。基于此,研发团队设计并制造了超低阈值的同步泵浦参量振荡器,该器件使用周期性极化的铌酸锂纳米波导,利用高度定制的色散曲线,实现了宽广且稳定的频率梳输出。与传统的超连续谱生成技术相比,该方法具有显著的能量优势,且输出频率梳在相干性和光谱稳定性方面表现卓越。传统的频率梳展宽往往依赖于超连续谱生成技术,例如在光子晶体光纤通过高强度泵浦所致的非线性效应,然而这类技术普遍耗能巨大,且对系统环境要求高,难以实现在紧凑集成平台上的应用。
纳米光子参量振荡器则通过高效非线性参量过程利用极低的注入能量达到频率梳的多倍频扩展,真正实现了芯片级的超宽频率覆盖,让频率梳器件向便携化与大规模工业化迈进迈出了关键一步。该技术的核心优势还在于其输出频率梳的高相干性,即所有频率线均保持严格的相位关系。这不仅提升了频率梳用于精密测量和通信的可靠性,还为未来量子光学器件以及频率合成系统的集成提供了基础平台。由于其稳定性,纳米光子参量振荡器生成的频率梳非常适用于高分辨光谱测量,特别是在环境监测、生物医学诊断以及精细化学成分分析等领域,展现出巨大应用潜力。此外,多倍频段频率梳在生成超短光脉冲方面有不可替代的作用,这使得其在光电子集成芯片上实现飞秒级脉冲激光成为可能,为高速光通信、多光子显微成像和精准激光制造等产业提供了前沿技术支持。从制造工艺层面看,纳米光子参量振荡器的设计依赖于先进的纳米加工技术,如电子束光刻和反应离子刻蚀,这不仅保证了细节结构的高精度控制,还使得大规模制备具备可行性。
与传统体积庞大且昂贵的光学设备相比,纳米尺度结构在成本、功率效率与集成度上均表现优异,极大促进了频率梳技术向实际应用的转化。科研团队还开发了基于开源软件平台的数值模拟代码,用于精确计算波导的有效折射率和非线性光波传播过程,提升了芯片设计的精确度和研发效率。无论是在设计阶段预测器件性能,还是解释实验观测结果,该仿真工具均为实现多倍频段频率梳生成提供了坚实理论支持。前景方面,纳米光子参量振荡器的性能提升将持续推动频率梳技术朝着更宽光谱、更低功耗及更高稳定性方向发展。预计未来,将通过集成多种非线性材料及新型结构实现更强的功能集成,例如结合电光调制器实现频率梳的动态调控,实现多通道频率合成乃至量子光源的集成。该技术不仅对通信、计量及光谱学产生深远影响,还将在人工智能、生命科学和国防安全领域打开全新的应用空间。
例如,便携化的多倍频段频率梳光源可用于快速准确的环境气体检测,助力气候变化研究及大气污染监测。纳米光子学驱动的超宽频率梳生成正逐渐成为光学科学中的一场变革,突破传统技术的局限,实现了低能耗、高效率与广谱覆盖的完美结合。随着相关专利和技术逐步成熟,基于铌酸锂纳米波导的参量振荡器有望推动下一代光学传感器、频率合成器与超快光电子器件的发展,助力科研与工业迈向更高台阶。展望未来,结合人工智能辅助设计和多物理场调控,纳米光子频率梳技术将进一步优化和创新,促成完整光子集成系统在大众市场和高端科研领域的广泛应用。 。
