陈根：研究突破——非线性光学技术取得进步

文/陈根

宽带隙半导体材料作为一种重要的光电器件材料，已被广泛应用于蓝续发光、强测、太阳能电池、光电开关以及传感器等方面，近年来由于它们能被研制成短波半导体激光器，越来越受到人们的重视。

而超快非线性光子学的研究，也是众多领域的焦点。在光学成像领域，一些非线性光学机制，如多光子激发荧光、相干拉曼和谐波信号产生等已经得到广泛的应用，这些系统往往具有更深的样品穿透深度、内在光学层析能力、高灵敏度、高时间分辨率以及携带相位敏感信息等优势。

另外，系统中自由度的增加，例如可以对波前、相位、频谱和空间模式进行调控，也给发展新的光学成像技术带来更多契机，以满足来自各应用需求对超快时间解析度、高空间分辨率和表征能力等不断提出的挑战。同时，基于超快非线性光学中脉冲锁模和光谱变换机制，光学和微波也得以相干融合，不同电磁波频段的电场调控、信号处理以及探测转换都可以互相借鉴。

更为重要的是，超快非线性光子学实现了在先进芯片上光谱学和信息处理中的大量应用。尤其后者能以超过皮秒时间尺度和适合集成光子学的亚毫米尺度来调制光学脉冲。尽管在这一领域取得了巨大的进展，但目前还没有为紫外线（UV）光谱范围提供这种功能的平台。

现在，包括EPFL在内的一个国际科学家团队已经在一个由氮化铝铟镓制成的波导中实现了紫外光-物质混合态（激子-极子）的巨大非线性，该波导是固态照明技术（如白色LED）和蓝色激光二极管背后的一种宽带隙半导体材料。

科学家们使用了一个100微米长的装置测量了紫外线脉冲的超快非线性光谱增宽，其非线性比在普通紫外线非线性材料中观察到的要大1000倍，这与非紫外线偏振子装置相当。使用氮化铝铟镓是向用于先进光谱学和测量的新一代集成紫外非线性光源迈出的重要一步。

该系统是一个高度稳健和成熟的半导体平台，在紫外光谱范围内显示出强激子光学转换，并且在室温下有着同样的表现。系统中的非线性激子相互作用且可与其他偏振子材料系统中的相互作用相媲美，例如砷化镓和过氧化物，但是，它们不能在紫外线和室温下同时工作。

该研究由谢菲尔德大学、圣彼得堡ITMO、查尔姆斯理工大学、冰岛大学和EPFL基础科学学院物理研究所的LASPE合作完成，目前相关成果发表在《自然通讯》上。未来，期待该研究能带给人们新的惊喜。