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| 戴道锌团队 Light | 首次实现芯片上UVC紫外至中红外超连续谱光源 |
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导读
超连续谱光源因其超宽带输出特性，在光谱分析、环境监测、生物检测和基础科学研究中具有重要应用价值。然而，受限于材料吸收和色散特性，芯片上超连续谱光源的实现面临巨大挑战。
近日，浙江大学戴道锌教授团队在薄膜周期极化钽酸锂（PPLT）平台上，首次实现了覆盖紫外UVC波段至中红外波段（270–2400 nm）的片上超连续谱光源，光谱跨度超过三个倍频程。该项成果不仅创造了目前芯片上产生的最短紫外波长纪录，还为宽带集成非线性光子学和高性能光谱传感开辟了新的技术路径。
该研究成果近日发表于《Light: Science & Applications》，题为“Ultraviolet-C to mid-infrared supercontinuum generation in periodically poled lithium tantalate waveguides”。
研究背景
超连续谱产生，是指超短脉冲光在非线性介质中传播时发生剧烈频谱展宽，从而形成覆盖宽波段的连续光谱。由于能够同时提供大量波长成分，超连续谱已成为现代光谱学和基础物理研究的重要光源。
其中，紫外超连续谱具有独特优势。波长低于400 nm的紫外光能够直接探测许多分子和材料的电子跃迁，因此在环境监测、化学分析以及 研究中具有广阔应用前景。
相比传统光纤和体材料系统，片上超连续谱光源具有体积小、功耗低和易于集成等优势。然而，实现芯片级紫外超连续谱始终面临两大挑战：一方面，大多数集成光子材料在350 nm以下存在较强吸收；另一方面，材料色散特性不利于非线性频率转换过程中的相位匹配，严重制约了超连续谱向紫外波段扩展。
因此，开发兼具优异紫外透过能力和强紫外波长转换的新型集成光子平台，成为该领域的重要研究方向。
创新研究
1.创新材料平台赋能超宽带覆盖
研究团队选择了近年来新兴薄膜钽酸锂作为超连续谱产生平台。该材料具有从260 nm延伸至5500 nm的宽透明窗口，同时拥有较强的二阶非线性效应（χ²非线性系数约21 pm/V），并具备较高的抗光损伤能力。这使其成为实现紫外超连续谱和宽带频谱工程的理想材料。
2.突破亚微米铁电畴制备难题
周期极化结构是实现准相位匹配非线性频率转换的关键。然而，面向紫外波段的频率转换往往需要极小尺寸的铁电畴结构，其制造长期存在技术挑战。
本研究成功实现了尺寸从0.95 μm到10 μm的多周期极化结构设计，突破了亚微米铁电畴制备瓶颈，为紫外至中红外频谱调控提供了关键技术基础。图1展示:极化周期为0.95 μm的PPLT结构的伪彩色压电响应力显微镜图像。结果表明在亚微米周期下，依旧能实现较为均匀的畴结构。
图1：为极化周期为0.95 μm的PPLT结构的伪彩色压电响应力显微镜图像。
3.啁啾周期极化结构的波导器件
研究团队设计了具有啁啾周期极化结构的波导器件，利用准相位匹配条件下的三波混频过程实现宽带频率转换。此器件由三个功能区域组成，如图1所示：
第一部分通过级联二阶非线性过程产生近红外超连续谱；
第二部分通过倍频、和频实现向紫外和可见波段的上转换；
第三部分通过差频过程产生中红外光。
图2：啁啾周期极化结构的波导器件示意图。该器件结构由三个级联功能区组成，其波导宽度和极化周期各不相同：第一部分为均匀周期极化且经过色散工程设计的波导，用于超连续谱产生；第二部分为上转换波导，用于产生紫外和可见光；第三部分为下转换波导，用于产生中红外光。
4.创造芯片级超连续谱最短紫外波长纪录
研究人员首次在芯片上获得了深紫外输出，同时在同一根波导内实现了中红外输出。最终获得的超连续谱覆盖270–2400 nm波段，跨度超过三个倍频程，且仅需100 pJ泵浦脉冲能量。这是迄今报道的最短芯片级紫外输出波长，体现了薄膜钽酸锂在深紫外非线性光学中的巨大潜力。
图3：（a） 啁啾周期极化薄膜钽酸锂（PPLT）波导产生的超连续谱（SCG）输出光谱的实验测量结果与数值模拟结果。（b） 经低通滤波器滤波后的啁啾PPLT波导紫外超连续谱输出测量结果。
总结与展望
该研究首次实现了覆盖270–2400 nm波段的片上超连续谱光源，证明了周期极化薄膜钽酸锂平台在宽谱非线性光子学中的独特优势。通过突破钽酸锂亚微米铁电畴制备技术，并结合非线性频率转换的精确设计，研究团队实现了从深紫外到中红外的宽带光谱覆盖，为集成化宽带光源的发展提供了全新方案。
未来，这类紫外超连续谱光源有望应用于环境监测和工业过程分析。例如，其输出波段覆盖了多种污染物的重要吸收特征，包括二氧化硫（SO?，约300 nm）、臭氧（O?，约300 nm）、丙酮（约279 nm）。因此，该技术有望成为新一代高灵敏度片上光谱传感系统的重要核心光源。
随着薄膜钽酸锂集成光子技术的进一步成熟，覆盖紫外、可见、近红外和中红外的全光谱集成光源与光谱芯片有望加速走向实际应用，为环境科学、生物医学诊断、工业检测以及基础物理研究带来新的发展机遇。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02323-4
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