文章报道了基于硫系玻璃AMTIR-1的毫米级高Q值回音壁模式微谐振器,其在1550 nm波长处创纪录地实现了Q值,较先前研究提升近两个数量级。通过热导率模拟与实验验证,揭示了AMTIR-1的低热导率(0.25 W/(m·K))导致热调谐效率(5.39 GHz/K)显著低于理论预测(8.39 GHz/K)。数值模拟进一步证明,该材料在7 μm波段具备反常色散与低吸收特性,支持耗散克尔孤子频率梳生成,为中长波红外非线性光学提供了新平台。
高Q值回音壁模式微谐振器是实现非线性光学效应的关键平台,其低损耗与大非线性系数可激发四波混频、谐波产生等效应。中长波红外(>6 μm)频率梳在分子指纹区(6.7-20 μm)具有独特光谱检测优势,但现有材料(如氮化硅、氟化物)因强吸收和色散限制难以突破6 μm波段。AMTIR-1硫系玻璃(Ge33As12Se55)因宽红外透射窗(0.75-14 μm)、高非线性折射率(n2≈10-17 m2/W)成为理想候选,但此前微腔Q值仅~105,制约其非线性应用潜力。
研究通过手工成型与表面抛光制备直径3.9 mm的AMTIR-1微盘谐振器。采用金红石棱镜耦合系统,在1550 nm波段观测到16.1 MHz共振线宽,对应负载Q值达1.2×107(图2b),较先前报道值提升近百倍。该Q值受材料吸收系数(α≈0.001 cm-1)限制,理论吸收极限Qabs≈108。值得注意的是,AMTIR-1在6-8 μm波段吸收最低,预计可支持最高Q值~8×107。
AMTIR-1的高热光系数(dn/dT=78×10-6 K-1)与热膨胀系数(β=12.6×10-6 K-1)理论上可实现8.39 GHz/K的频率调谐效率。然而,实验测得效率仅5.39 GHz/K(图4c)。有限元热传导模拟表明,AMTIR-1的低热导率(0.25 W/(m·K))导致温度分布不均:当基底升温至296 K时,谐振器实际温度仅294.5 K(图4a)。相比之下,高导热氟化镁(MgF2)谐振器的实验与理论值高度吻合,验证了热传导机制的关键影响。
基于AMTIR-1的低吸收与高非线性特性,研究模拟了7 μm波段的耗散克尔孤子(DKS)频率梳生成。材料色散在>6 μm波长被几何色散平衡,形成弱反常色散(图5a)。当20 GHz自由光谱范围谐振器以500 mW泵浦时,数值求解Lugiato-Lefever方程得到跨越6-8 μm的宽带频率梳(图5b)。得益于AMTIR-1非线性系数(较二氧化硅高三个数量级),即使负载Q值7.5×106仍可实现孤子态跃迁(图5c)。
文章首次实现了Q值突破107的AMTIR-1微谐振器,揭示了其热调谐受限的物理根源,并证明其在分子指纹区支持非线性频率梳生成。该平台将推动中长波红外量子光源与微型光谱仪的发展,为化学传感提供新解决方案。