紫外（UV）光器件在光学数据存储、光学信息处理和光学传感器等许多应用中具有很大的优势，常见UV区域定义为10 nm至400 nm的波长范围，进一步细分为四个不同的区域：UV-A或长波UV（320–400nm）；UV-B或中波紫外线（290–320nm）；UV-C或短波紫外线（200–290nm）；和真空UV（10–200nm）。在诸如KTiOPO4、LiNbO3 和LiTaO3的晶体中，已经研究了通过准相位匹配在体材料和波导器件中的倍频产生。然而，从准相位匹配材料产生紫外光有几个限制，例如在紫外波长的透射率较低、光学损伤和制备困难等。为了解决这些问题，我们通过模式相位匹配倍频的方法在绝缘体上钽酸锂（LTOI）微盘中获得了片上长波紫外光，并且我们的LTOI微盘在可见光波段的高光学Q显示了其在腔增强非线性光学方面的巨大潜力。

图1.  LTOI实验装置和光学特性。(a)在LTOI微盘中产生非线性过程的实验装置，(b)和(c)分别是768.53nm附近测量模式的透射光谱和洛伦兹拟合。

钽酸锂是一种具有铁电性质的正单轴晶体，广泛应用于声光、电光、集成光学、非线性光学等领域。与铌酸锂材料相比，钽酸锂在更大的波段范围内（0.28-5.5µm）是透明的，这可以作为铌酸锂在实现紫外相干光方面的有益补充。我们使用聚焦离子束（FIB）研磨直径为50µm的微盘，然后化学机械抛光（CMP）使微盘表面和边缘光滑，在可见光波段微腔品质因数达到2.74×10^5，并通过模式相位匹配实现了384.3nm波长的片上紫外相干倍频光产生，归一化转换效率为5.74×10^-6/W。

图2.  LTOI微盘中的紫外（UV）二次谐波产生(a)不同功率的可见波段中的泵浦光产生UV SHG信号光谱（384.3nm附近）(b)倍频信号对可见光基波泵浦的功率依赖性 (c)有效折射率和波长的函数关系，插图显示了基频和紫外倍频的模式仿真 (d) SHG功率对腔内泵浦功率的依赖性。

首次在钽酸锂薄膜微盘中产生片上384.3nm紫外倍频光，是迄今为止所知的铁电畴晶体薄膜中最短UV光的产生；显示了钽酸锂薄膜在集成紫外光源平台中的巨大应用前景。

该成果发表在“Miao Xue, Xiongshuo Yan, Jiangwei Wu, Rui Ge, Tingge Yuan, Yuping Chen, Xianfeng Chen, On-chip ultraviolet second-harmonic generation in lithium-tantalate thin film microdisk, Chinese Optics Letters, 21(6), 61902 (2023)”。

论文链接：https://doi.org/10.3788/COL202321.061902