基于半导体微纳波导的少光子非线性光学频率转换效应研究

Transverse frequency conversion effect in semiconductor micro/nano-waveguides have no need of critical phase match condition, and can break through the absorption limitation of semiconductor materials and generate new frequency light in the spectral region far above the bandgap. In this project, studying the few-photon nonlinear optical effect by using the transverse frequency conversion effect in semiconductor micro/nano-waveguides is proposed. Pump lasers are efficiently and compactly launched into the semiconductor micro/nano-waveguides based on evanescent-wave coupling technique. The properties of the transverse frequency conversion in micro/nano-waveguides will be studied, and the related parameters that influence the conversion efficiency will be analyzed. Based on the spatial distribution of new frequency light along the micro/nano-waveguides, the dispersion property of optical pulse guided in micro/nano-waveguides can be obtained, and the pulse broadening can be controlled. High-quality-factor microcavities will developed, including Fabry-Pérot microcavity from end facets of micro/nano-waveguides, ring cavity by manually micromanipulation, and whispering-gallery modes cavity from gold nanorod antennas. The pump wavelengths and the resonant wavelengths of cavities will be tuned and matched to the spectral range near the absorption bandgap of semiconductor micro/nano-waveguides. The nonlinear effects will be enhanced due to the enhancement of resonant absorption, so few-photon nonlinear optical frequency conversion effects may be achieved by using tens of atto-joule-level pump power (photon number at a hundred level).

半导体微纳波导中横向发射频率转换效应不需要苛刻的相位匹配，且可突破半导体材料的.吸收限制，在远大于半导体带隙光谱范围内实现不同波长的非线性光学过程。本项目提出利用半导体微纳波导中横向发射频率转换来研究少光子水平的非线性光学效应。基于倏逝波耦合技术，把光高效率、超紧凑地耦合到半导体微纳波导里面。研究横向频率转换效应的特点，分析影响其转换效应的相关量；利用横向发射新频率光在波导上的空间强度分布，获得脉冲光在波导里面传输时候的色散特性，并对脉冲展宽进行控制。发展高品质因子复合型光学微腔，包括波导端面自身形成的Fabry-Pérot微腔，通过人工微纳操作搭建的环形微腔，及与金纳米棒天线复合的回音壁模式微腔。调整泵浦光输入与微腔共振的匹配波长，使其靠近半导体微纳波导的吸收带，利用共振吸收增强非线性光学效应，使用几十aJ水平的泵浦光功率（光子数在百量级）实现极少光子水平的非线性光学频率转换。

申请人的研究工作以微纳光纤为主线，制备了低损耗、功能化的微纳波导，实现了超低功率的横向发射频率转换，及光纤微腔的单模激光输出。用透射光栅组对波导中传输的超短脉冲展宽进行调制，利用GaSe纳米带在大于其带隙的光谱区内实现了飞焦量级的脉冲自相关测量，灵敏度为10^−9 W2量级，超越了几乎所有市售的强度自相关仪。利用飞秒脉冲光在CdSe纳米波导中，发现了增强4个数量级的高阶非线性光学效应。进一步地，申请人发展了高品质因子复合型光学微腔，基于高分子材料制备出微光纤微瓶腔，通过调制激发光和谐振腔增益的空间强度分布，来实现不同模式的选择及单模激光的输出，该单模激光具有较高的边模抑制因子和较低的激光阈值，并能实现对应力的高灵敏检测。在此基础上，申请人提出并实验验证了硅氧键活化能理论，成功阐释了微纳光纤表面悬挂键的产生机理，同时特别提出了微纳光纤表面生长单层MoS2的新方法，利用光活化产生的高密度氧悬挂键大量消耗了单层MoS2中过量的电子，实现高功率激发下荧光量子产率2～3个数量级的增强，解决了单层过渡金属硫族化合物荧光量子产率较低的国际难题。最后，申请人将微纳光纤与金属纳米线相结合，利用导波的模式耦合激起了表面等离激元，通过光热耦合将光能转化热能，通过局域不均性的晶格膨胀将热能转化成机械能并以表面声波的形式传播，当所产生的表面声波能量足够强时，金属纳米线就能克服表面粘附力而移动，这解决了在非液体环境下操控纳米线的巨大挑战。.申请人作为第一或通讯作者，以上理工为第一单位，已经就项目相关内容发表SCI论文8篇，其中影响因子大于5的5篇，包括Nat. Commun.；Sci. Adv.；Light-Sci. & Appl.；Adv. Optical. Mater.；Photon. Res.等。另外申请相关国家发明专利3项，授权3项。.