光频梳具有独特的时频特性，为高精度频率计量和高分辨率宽带光谱测量提供了新的技术手段。尽管非线性光子学芯片已广泛应用于光频梳光谱拓展，但是高相干光频梳光谱仍然局限在近红外区域，仍然难以满足紫外到可见光区域的精密测量应用需求。目前，三阶非线性频率变换技术得到了长足发展，但仍然会受到转换效率和光谱范围的限制，往往需要高功率泵浦激光脉冲器来驱动光谱展宽。与三阶效应相比，二次非线性效应可以在较低的泵浦功率下提供特定的波长转换，但其输出光谱范围也受到相匹配带宽的限制。周期性极化铌酸锂晶体与其他常用的砷化镓和磷化镓等材料一样，具有较大的二阶非线性系数，支持光学差频、光学参量振荡、高次谐波产生等多种二阶非线性频率变换效应；另一方面，在周期性极化铌酸锂晶体上可以设计加工啁啾和波导等结构，兼顾宽带相位匹配光谱和高转换效率的优势，是实现集成宽带芯片级激光器的重要器件。

    为了研制更宽光谱的光频梳光源，李文雪研究员领导的研究团队在三级级联的铌酸锂芯片中集成了三种二阶非线性效应，研制出一种紧凑的新型光频梳光源，其输出光谱实覆盖0.35 ~ 4.0μm，相关研究成果发表在Photonics Res. 12, 2012 (2024)上。图1(a)展示了三级级联铌酸锂芯片宽带光频梳的实验装置图，研究人员将自主研制的近红外掺铒光纤光频梳依次导入到三级级联铌酸锂芯片中，经历光学差频、光参量放大和高次谐波产生三个二阶非线性效应，获得了紫外至中红外的光频梳光谱。

    在实验中，利用自制的无偏置宽带中红外光频梳，研究人员在铌酸锂晶体波导的非线性作用下，产生了2~10次紫外至到中红外谐波光谱，如图1(b)所示，主要涉及铌酸锂晶体介质的三种二阶非线性

效应。首先，利用光学参量过程将近红外光转换为中红外光；其次，通过光学参量放大中红外光频梳功率而不造成带宽损失；最后，驱动高次谐波产生并获得紫外光谱至中红外的光频梳光谱。

图1 基于级联铌酸锂芯片的紫外至中红外光频梳

本文提出的紫外至中红外宽带光频梳方案，基于三级级联铌酸锂芯片，具有片上集成化优势。目前，基于铌酸锂材料的集成光子技术较为成熟，未来有望将三级级联铌酸锂晶体集成在一个光学芯片上，进而实现单片集成的宽波段频率变换模块，从而实现从光频梳光源到频率变换模块的全集成宽波段光频梳。研究团队后续将对各级非线性转化过程进行更为细致的理论分析，进而指导调控铌酸锂晶体参数和结构，以实现更高的转化效率。此外，研究团队将研制同时覆盖紫外至中红外波段的双光梳光谱仪，发展多种物质的高精度并行测量技术，开展激发态动力学、光反应动力学等光物理、光化学和光生物的应用研究。

论文链接：

https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-12-9-2012&id=557203