Tenké filmy z niobátu lithia (TFLN), s významnými výhodami širokého průhledného okna, vysokého indexu lomu a velkých akusticko-optických/elektrooptických/nelineárních optických koeficientů, se ukázaly jako slibná materiálová platforma pro výrobu vysoce výkonná fotonická integrovaná zařízení pro klasické i kvantové aplikace, kde byla nyní realizována fotonická zařízení, jako jsou nízkoztrátové vlnovody, vysoce kvalitní mikrorezonátory, vysokorychlostní modulátory a vysoce účinné optické frekvenční měniče. Jednokrystalický niobát lithný však postrádá efektivní luminiscenční a detekční schopnosti.
Krystaly niobátu lithného dopované ionty vzácných zemin začaly být v poslední době praktickým řešením pro realizaci funkce optického zisku platforem TFLN a experimentálně byly demonstrovány opticky čerpané mikrolasery dopované ionty vzácných zemin. Lasery dopované ionty vzácných zemin mají výhody široké šířky pásma, polarizační necitlivosti, vysoké použitelné teploty a dobré kompatibility. Lasery dopované ionty vzácných zemin jsou navíc slibnější při dosahování vysokého výkonu, provozu s uzamčeným režimem a koherentních kombinací paprsků. V současné době jsou však všechny lasery TFLN dopované ionty vzácných zemin opticky pumpovány externími lasery spojenými pomocí optických vláken, což brání rozvoji integrované fotoniky na TFLN.
Nedávno tým Prof. Cheng Ya na East China Normal University předvedl kompaktní hybridní lithium-niobátový mikrokroužkový laser. Obrázek 1 ukazuje schematický diagram navrhovaného kompaktního hybridního lithium-niobátového mikrokroužkového laseru čerpaného polovodičovým laserem, který se skládá z komerčně dostupného polovodičového laseru s baleným CoS a mikrokroužku dopovaného vysokým Q Er3 plus. Vyrovnání mezi vstupním portem mikrokroužku a výstupním portem polovodičové laserové trubice zapouzdřené CoS je dosaženo systémem {{10}} osového zarovnání s nastavitelnou přesností 10 nm, který v otočení umožňuje účinnou optickou vazbu. Pro dosažení stabilního a těsného spojení je UV lepidlo nanášeno dávkovačem a oba čipy jsou fixovány UV zářením. Klíčem k této práci je, že mikrokroužek dopovaný Er3 plus má vysokou hodnotu Q na vlnové délce pumpy polovodičového laseru. Jak je znázorněno na obr. 2, střední vlnová délka čerpacího laseru polovodiče je 976,24 nm a při této vlnové délce je hodnota Q mikrokroužku 7,3 x 105. Střední vlnová délka laseru produkovaného mikrokroužkem dopovaným Er3 plus pod světlem pumpy je 1531,27 nm a šířka čáry laseru je 0,05 nm a emise laseru s jedním režimem lze připsat ztrátě závislé na režimu a získat konkurenci. Kromě toho je šířka čáry emitovaného laseru o dva řády užší než šířka čáry světla pumpy generovaného polovodičovým laserem s CoS.
Obr. 1. (a) Schematické schéma kompaktního hybridního lithiumniobátového mikrokroužkového laseru sestávajícího z polovodičového laseru v CoS a mikrokroužkového laseru s vysokým Q Er:TFLN. (b) Pohled shora na kompaktní hybridní lithium-niobátový mikrokroužkový laser. (c) Detailní fotografie pod optickým mikroskopem rozhraní mezi CoS-zapouzdřeným polovodičovým laserem a Er:TFLN mikrokroužkem.
Obr. 2. (a) Q mikrokroužku při 976 nm je 7,3 × 105. (b) Q mikrokroužku při 1531 nm je 1,85 × 105. (c) Spektrum blízké střední vlnové délce polovodičového laseru. (d) Spektrum blízké vlnové délce mikrokroužku dopovaného Er3 plus emitující jednofrekvenční laser při 1531,27 nm s šířkou čáry 0,05 nm.
Tato práce zkoumá výkonný hybridní lithium-niobátový mikrokroužkový laserový zdroj, který má potenciální aplikace v koherentní optické komunikaci a přesné metrologii, a výsledky jsou publikovány online v OpticsLetters.
