DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02162-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41582149
تاريخ النشر: 2026-01-26
المؤلف: Shengda Ye وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه البحث هيكل مركب جديد من الكريستال في الزجاج مصمم لمصادر الضوء الميكرو-نانو متعددة الوظائف ضمن الفوتونيات المتكاملة. يعتمد الهيكل على ميكروكافتي زجاجية خزفية (GC) مشبعة بأيونات Er³⁺/Yb³⁺ في وضعية المعرضة للهمسات (WGM) التي تضم بلورات Ba₂TiGe₂O₈ (BTG). تسهل هذه الميكروكافتي استجابات بصرية مزدوجة الوضع، مما يمكّن من التحويل الصاعد (UC) والليزر ذو التردد المضاعف. يوفر مصفوفة الزجاج الجيرماني المنخفضة الطاقة الفونونية، المشبعة بـ Er³⁺/Yb³⁺، مكاسب UC، بينما تشكل عملية التبلور بلورات BTG الدقيقة التي تسهل توليد التوافقيات الثانية (SHG).
تظهر الميكروكافتي عامل جودة عالي (Q ≈ 5.7 × 10⁴) وحجم وضع صغير، مما يؤدي إلى ليزر UC فعال باللون الأخضر (550 نانومتر) والأحمر (660 نانومتر) مع عتبات منخفضة تبلغ 13.31 ميكرووات و12.97 ميكرووات، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، يسمح آلية المطابقة العشوائية شبه الطورية (RQPM) في GC BTG باستجابة تردد مضاعف عريضة النطاق عبر نطاق الطول الموجي من 900 إلى 1200 نانومتر. من خلال استخدام اقتران الألياف المخروطية في المجال القريب وضخ الفضاء الحر بالليزر، تحقق الدراسة إخراجًا متزامنًا لليزر UC الأخضر/الأحمر والليزر ذو التردد المضاعف من ميكروكافتي واحدة. تسهم هذه العمل في تقديم رؤى قيمة حول تصميم المواد الهجينة والتلاعب بالحقول الضوئية لأجهزة الليزر القابلة للتعديل وأنظمة الفوتونيات غير الخطية على الرقاقة.
مقدمة
تستعرض المقدمة التقدمات الكبيرة في الفوتونيات الميكرو-نانو، وخاصة الطلب المتزايد على مصادر الضوء الميكرو-نانو المتكاملة التي يمكن أن تؤدي وظائف متعددة. يتم تسليط الضوء على الميكروكافتي البصرية في وضعية المعرضة للهمسات (WGM)، المعروفة بعوامل الجودة العالية وحجوم الوضع الصغيرة، كعوامل حاسمة لتعزيز تفاعلات الضوء والمادة. ومع ذلك، تدعم الميكروكافتي التقليدية عادةً وضع تشغيل واحد فقط، مما يحد من قابليتها للتطبيق في مجالات معقدة مثل معالجة المعلومات الكمومية، والاستشعار عالي الحساسية، والاتصالات الضوئية. تؤكد الورقة على الحاجة إلى تصاميم الميكروكافتي التي يمكن أن تسهل إخراج الليزر متعدد الأطوال الموجية المتزامن والتحويل الضوئي غير الخطي.
يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا باستخدام ميكروكافتي زجاجية خزفية (GC) مشبعة بأيونات الأرض النادرة تضم بلورات BTG الدقيقة. يهدف هذا التصميم إلى تمكين التشغيل الثنائي الوضع من خلال دمج غير الخطية من الدرجة الثانية لتوليد التوافقيات الثانية (SHG) وخصائص التحويل الصاعد (UC) ضمن ميكروكافتي واحدة. من المتوقع أن تحسن التعديلات الهيكلية في BTG، التي تعزز الاستقطاب التلقائي، جنبًا إلى جنب مع الطاقة الفونونية المنخفضة لمصفوفة الزجاج الجيرماني، كفاءة اللمعان في UC. تظهر الأبحاث نجاح تصنيع ميكروكافتي WGM زجاجية خزفية مشبعة بـ Er3+/Yb3+ BTG، محققة أول حالة من ليزر UC والليزر ذو التردد المضاعف المتزامن. تؤسس هذه العمل أساسًا لتطوير أجهزة فوتونية متكاملة متعددة الوظائف، مما يعرض مخطط تحفيز هجين يسمح بالإخراج المتزامن لليزر UC الأخضر/الأحمر وتوليد التوافقيات الثانية في النطاق المرئي.
طرق
تستعرض قسم “المواد والطرق” التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة في الدراسة. توضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. يتم وصف المنهجية بطريقة منهجية، مع تسليط الضوء على التقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، مثل الطرق الإحصائية أو النماذج الحاسوبية المستخدمة لتفسير النتائج.
علاوة على ذلك، قد يتضمن القسم معلومات حول الإعداد التجريبي، بما في ذلك ظروف التحكم وأي متغيرات تم التلاعب بها خلال الدراسة. يسمح هذا النهج الشامل بفهم واضح لكيفية إجراء البحث ويدعم صحة النتائج المقدمة في الأقسام اللاحقة.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تصنيع زجاج السلف (PG) عبر التبريد السريع وتمت ملاحظته باستخدام قياس الحرارة المسحي التفاضلي (DSC)، مما كشف عن درجة حرارة انتقال الزجاج ($T_g$) تبلغ 653 درجة مئوية، ودرجة حرارة بدء التبلور ($T_c$) تبلغ 716 درجة مئوية، ودرجة حرارة ذروة التبلور ($T_p$) تبلغ 747 درجة مئوية. تم تحديد معالجة حرارية من خطوة واحدة عند 695 درجة مئوية لمدة 1.5 ساعة لتحسين الجودة البصرية للزجاج الخزفي الناتج (GC). أكدت حيود الأشعة السينية (XRD) تبلور مرحلة واحدة من Ba$_2$TiGe$_2$O$_8$ (BTG) في عينة GC-695، مع قمم حيود مميزة تشير إلى تبلور ناجح. دعمت قياسات رامان التداخلية هذه النتائج، حيث أظهرت انتقالًا من الهيكل غير المتبلور لـ PG إلى الهيكل المنظم لـ GC-695، كما يتضح من ظهور قمة حادة عند 556 سم$^{-1}$ تتوافق مع روابط Ge-O-Ge.
أظهرت الخصائص البصرية أن GC-695 حافظت على نفاذية عالية (~80%) في النطاق المرئي، وهو أمر حاسم للتطبيقات في ليزر الميكروكافتي. تم التحقيق في خصائص اللمعان في التحويل الصاعد (UC)، مما كشف عن قمم انبعاث عند 550 نانومتر و660 نانومتر تحت تحفيز ليزر 980 نانومتر، متسقة مع آلية تحفيز ثنائية الفوتون. بالإضافة إلى ذلك، تم تعزيز شدة توليد التوافقيات الثانية (SHG) بشكل كبير في GC-695 مقارنة بـ PG، مما يُعزى إلى زيادة البلورية لـ BTG. كما سلطت الدراسة الضوء على الاستجابة البصرية غير الخطية المتساوية للميكروكافتي GC-695، وهو ما يفيد التطبيقات العريضة النطاق. تم إثبات التشغيل الثنائي الوضع لـ UC والليزر ذو التردد المضاعف بنجاح، مما يظهر الإمكانية لإخراج متعدد الأطوال الموجية القابل للتعديل، بما في ذلك ليزر الضوء الأبيض القريب، مما قد يعزز تكنولوجيا الفوتونيات الميكرو-نانو.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير هيكل مركب جديد من الكريستال في الزجاج (GC)، يجمع بين تشبع أيونات الأرض النادرة لإنشاء ميكروكافتي متعددة الوظائف في وضعية المعرضة للهمسات (WGM). هذه الميكروكافتي، التي تتميز بقطر 30 ميكرومتر وتضم بلورات Ba₂Ti-Ge₂O₈ المشبعة بـ Er³⁺/Yb³⁺، تحقق بنجاح ليزر UC متزامن في الأطوال الموجية الخضراء والحمراء، بالإضافة إلى توليد التوافقيات الثانية (SHG) عريضة النطاق. تبسط هذه الوظيفة المزدوجة بشكل كبير دمج عمليات فوتونية متعددة، بينما تشير توافقية مادة GC مع هياكل الموجات المسطحة إلى مسار واعد لتطبيقات فوتونية قابلة للتوسع على الرقاقة، بما في ذلك ليزر متعددة الأطوال الموجية القابلة للتعديل ومصادر الضوء غير الخطية.
شملت عملية تصنيع مادة GC إعداد سلف زجاجي بتركيب محدد، تلاها ذوبان، تبريد سريع، وتلدين لإنتاج صفائح زجاجية شفافة. أدت المعالجة الحرارية اللاحقة إلى التبلور لتشكيل بلورات BTG الدقيقة. تم تصنيع الميكروسفيرات من خلال مزيج من تقنيات سحب الألياف وتقنيات الليزر CO₂، مما يسمح بالتحكم الدقيق في أبعاد الميكروسفير. تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك قياس الحرارة المسحي التفاضلي، حيود الأشعة السينية، قياس رامان، وميكروسكوبية الإلكترون، لتحليل الخصائص الهيكلية والبصرية للميكروكافتي. تم تقييم كفاءة SHG بشكل كمي، مما يظهر التحويل الفعال لطاقة الضخ المدخلة إلى إخراج SHG، وبالتالي التحقق من أداء الميكروكافتي لتطبيقات فوتونية محتملة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02162-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41582149
Publication Date: 2026-01-26
Author(s): Shengda Ye et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
This research presents a novel crystal-in-glass composite structure designed for multifunctional micro-nano light sources within integrated photonics. The structure is based on an Er³⁺/Yb³⁺-codoped glass-ceramic (GC) whispering gallery mode (WGM) microcavity that incorporates Ba₂TiGe₂O₈ (BTG) crystals. This microcavity facilitates dual-mode optical responses, enabling both upconversion (UC) and frequency-doubled lasing. The low-phonon-energy germanate glass matrix, codoped with Er³⁺/Yb³⁺, provides UC gain, while the crystallization process forms BTG microcrystals that facilitate second harmonic generation (SHG).
The microcavity exhibits a high-quality factor (Q ≈ 5.7 × 10⁴) and a small mode volume, resulting in efficient green (550 nm) and red (660 nm) UC lasing with low thresholds of 13.31 μW and 12.97 μW, respectively. Additionally, the random quasi-phase-matching (RQPM) mechanism in the BTG GC allows for an ultrabroadband frequency-doubling response across a wavelength range of 900 to 1200 nm. By employing tapered fiber near-field coupling and femtosecond free-space pumping, the study achieves simultaneous output of green/red UC lasing and frequency-doubled lasing from a single microcavity. This work contributes valuable insights into hybrid material design and the manipulation of optical fields for tunable lasers and on-chip nonlinear photonic systems.
Introduction
The introduction outlines the significant advancements in micro-nano photonics, particularly the increasing demand for integrated micro-nano light sources that can perform multiple functions. Whispering gallery mode (WGM) optical microcavities, known for their high-quality factors and small mode volumes, are highlighted as crucial for enhancing light-matter interactions. However, traditional microcavities typically support only a single operational mode, which limits their applicability in complex fields such as quantum information processing, high-sensitivity sensing, and optical communications. The paper emphasizes the need for microcavity designs that can facilitate simultaneous multi-wavelength laser output and nonlinear optical conversion.
The authors propose a novel approach using rare-earth-ion-doped glass-ceramic (GC) microcavities that incorporate Ba2TiGe2O8 (BTG) microcrystals. This design aims to enable dual-mode operation by integrating second-order nonlinearity for second harmonic generation (SHG) and upconversion (UC) properties within a single microcavity. The structural modifications in BTG, which enhance spontaneous polarization, along with the lower phonon energy of the germanate glass matrix, are expected to improve UC luminescence efficiency. The research demonstrates the successful fabrication of Er3+/Yb3+-codoped BTG glass-ceramic WGM microcavities, achieving the first instance of simultaneous UC and frequency-doubled lasing. This work sets a foundation for developing multifunctional integrated photonic devices, showcasing a hybrid excitation scheme that allows for the concurrent output of green/red UC lasing and visible-band SHG.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology is described in a systematic manner, highlighting the techniques for data collection and analysis, such as statistical methods or computational models utilized to interpret the results.
Furthermore, the section may include information on the experimental setup, including control conditions and any variables manipulated during the study. This comprehensive approach allows for a clear understanding of how the research was conducted and supports the validity of the findings presented in subsequent sections.
Results
In this study, precursor glass (PG) was synthesized via melt-quenching and characterized using differential scanning calorimetry (DSC), revealing a glass transition temperature ($T_g$) of 653 °C, onset crystallization temperature ($T_c$) of 716 °C, and crystallization peak temperature ($T_p$) of 747 °C. A one-step heat treatment at 695 °C for 1.5 hours was determined to optimize the optical quality of the resulting glass ceramics (GC). X-ray diffraction (XRD) confirmed the crystallization of a single phase of Ba$_2$TiGe$_2$O$_8$ (BTG) in the GC-695 sample, with distinct diffraction peaks indicating successful crystallization. Confocal Raman spectroscopy further supported these findings, showing a transition from the amorphous structure of PG to the ordered structure of GC-695, as evidenced by the emergence of a sharp peak at 556 cm$^{-1}$ corresponding to Ge-O-Ge bonds.
Optical characterization demonstrated that the GC-695 maintained high transmittance (~80%) in the visible range, crucial for applications in microcavity lasers. The upconversion (UC) luminescence properties were investigated, revealing emission peaks at 550 nm and 660 nm under 980 nm laser excitation, consistent with a two-photon excitation mechanism. Additionally, second-harmonic generation (SHG) intensity was significantly enhanced in the GC-695 compared to PG, attributed to the increased crystallinity of BTG. The study also highlighted the isotropic nonlinear optical response of the GC-695 microcavity, which is beneficial for broadband applications. The dual-mode operation of UC and frequency-doubled lasing was successfully demonstrated, showcasing the potential for tunable multi-wavelength output, including near-white light lasing, which could advance micro-nano photonics technology.
Discussion
In this study, a novel crystal-in-glass (GC) composite architecture has been developed, integrating rare-earth ion doping to create a multifunctional whispering gallery mode (WGM) microcavity. This microcavity, featuring a diameter of 30 μm and incorporating Er³⁺/Yb³⁺ co-doped Ba₂Ti-Ge₂O₈ microcrystals, successfully achieves simultaneous upconversion (UC) lasing in green and red wavelengths, as well as broadband second harmonic generation (SHG). This dual functionality significantly simplifies the integration of multiple photonic processes, while the compatibility of the GC material with planar waveguide structures indicates a promising pathway for scalable on-chip photonic applications, including tunable multi-wavelength lasers and nonlinear light sources.
The fabrication process of the GC material involved preparing a glass precursor with a specific composition, followed by melting, quenching, and annealing to produce transparent glass sheets. Subsequent heat treatment induced crystallization to form BTG microcrystals. Microspheres were fabricated through a combination of fiber drawing and CO₂ laser techniques, allowing for precise control over the microsphere dimensions. Characterization techniques, including differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and electron microscopy, were employed to analyze the structural and optical properties of the microcavities. The SHG efficiency was quantitatively assessed, demonstrating the effective conversion of input pump power into SHG output, thereby validating the microcavity’s performance for potential photonic applications.