实验室董国平教授团队：复合玻璃微腔中实现上转换与倍频激光同步输出
随着信息技术不断追求更高的传输速率、集成密度与能效水平，集成光子学已成为下一代信息技术的核心方向之一。传统光学微腔虽具备优异的光场局域能力，却往往局限于单一光子行为，难以在同一器件中实现多功能光场调控，成为光子集成系统向多功能演进的主要瓶颈。因此，如何在单个微腔内协同激发多种光子过程，成为推动集成光子学从概念走向应用的关键命题。
近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的董国平教授课题组利用晶体复合玻璃制备的微球腔，实现上转换激光与宽带倍频激光的同步输出，有望拓展多功能集成光子芯片领域的应用。
现有微腔功能集成度低，大多仅支持单一光学过程（如上转换激光或二次谐波产生），难以满足量子信息、光通信等领域对多波长协同输出的需求。尽管已有研究尝试通过材料复合实现功能集成，但稀土掺杂上转换材料与非线性材料间的兼容性与制备工艺复杂性仍是制约其发展的主要瓶颈。
图1. 块状玻璃性能表征
针对该难题，团队通过精准可控的热处理工艺，在Er/Yb共掺的低声子能量锗酸盐玻璃中原位析出具有强二阶非线性的Ba2TiGe2O8微晶。析晶前后材料的光学透过率、上转换荧光强度及寿命无明显衰减，表明非线性晶相的引入未影响稀土离子发光效率。同时，微晶的无序分布满足“随机准相位匹配”机制，使复合材料具备高效的宽带二次谐波产生能力。基于此材料，团队制备出直径30微米的微腔，将锥形光纤近场耦合与飞秒激光自由空间泵浦相结合，在单个微腔中同步实现了上转换激光（绿光/红光）与宽带倍频激光输出，双模式信号间无明显干扰。通过调节泵浦波长与功率，输出激光的色坐标可在宽范围内连续调控，并可实现近白光激光输出，展现了该器件在可调谐多色激光领域的应用潜力。
图2.微腔上转换与倍频激光同步输出
相关研究成果以“A monolithicmicrocavity laser with simultaneous upconversion and frequency-doubled lasingvia crystal-in-glass engineering”为题发表在Light: Science& Applications上，其中通讯作者为董国平教授，第一作者为叶昇达博士生。该研究工作得到了国家自然科学基金委员会(52572162, 52572006, 62205109,62405092)、发光材料与器件全国重点实验室(Skllmd-2024-12)、广东省基础与应用基础研究基金(2025A1515010444)等科研项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02162-9
