周期性取向钽酸锂波导中的紫外‑C 到中红外超连续谱产生

芯片上的多色光

能够同时产生多种颜色的光使科学家得以读取原子和分子的“指纹”、研究遥远的恒星并监测空气中的污染。本文展示了研究人员如何构建一块微小芯片，将单束红外激光转换为超宽带的光谱彩虹，其波段从深紫外延伸到中红外。这样的覆盖范围通常只能用笨重的光纤系统实现，但在这里它被压缩到比指甲还小的尺寸上。

由窄频激光到广阔彩虹

核心思想是一种称为超连续谱产生的过程：强烈且极短的激光脉冲在特殊材料中传播时会展宽成平滑的连续光谱。作者着力将这一彩虹推向比以往芯片更深的紫外区域，同时也向中红外大幅延伸。紫外光适合探测原子和分子的电子跃迁，而中红外光则因其特征吸收带而非常适合气体和化学物质检测。在一个紧凑器件中结合这两个波段，可简化许多光学仪器。

特殊晶体与巧妙的微结构

为实现这一点，团队采用了薄膜钽酸锂，这种晶体材料在大约260纳米的紫外到几微米的红外范围内是透明的，并且具有强烈的非线性响应，使不同颜色的光能相互作用并转换为新频率。研究者在晶体上精心刻划出显微区域，使其内部取向以受控方式来回翻转。通过沿着波导逐步改变这些区域的间距，他们将入射红外脉冲的能量以逐步方式引导到更高和更低的频率，同时在巨大的波长范围内保持转换效率。

三段区域，连贯的光谱

芯片的主通道被划分为三段具有不同宽度和模式的功能区。在第一段，红外脉冲在时间上被压缩并开始向邻近颜色展宽，同时受倍频等相互作用的帮助，进一步促进展宽。在第二段，显微模式做了“啁啾”处理，意味着其间距缓慢缩小，从近红外到可见并延伸到深紫外的相位匹配条件被扫过。该段将光谱驱动到低于270纳米，进入紫外‑C 区域。在第三段，模式间距增大，有利于产生更长波长的相互作用，将光谱推进到超过2400纳米的中红外范围。

用于宽带传感的微型实验室

为展示这种宽谱彩虹的应用，作者在同一芯片上集成了一条螺旋形波导，作为紧凑的感测路径。来自超连续谱光源的光通过该螺旋传输，样品如液体或气体在其中与光发生相互作用。通过记录不同波长的吸收情况，系统能够识别或定量物质。团队测量了水中常见染料的吸收，捕获可见光和紫外签名，并记录了工业相关气体在红外区的详细吸收线。与标准参考数据的一致性证实了该芯片能支持精确的宽带光谱学。

对未来器件的意义

简言之，研究者将一个非常明亮、极为宽广的彩虹光源置于单片芯片上，并展示了它可用于读取跨越紫外、可见和红外的分子与气体光谱指纹。他们的设计在芯片上达到了此前未报道的更短紫外波长，并在仅需适中激光能量的情况下覆盖了超过三倍频程（octaves）的色谱范围。这使得钽酸锂芯片成为未来便携光谱仪、环境监测器以及物理与天文学精密测量工具的有力平台。

引用: Xiong, H., Yao, X., Zhang, M. et al. Ultraviolet-C to mid-infrared supercontinuum generation in periodically poled lithium tantalate waveguides. Light Sci Appl 15, 253 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02323-4

关键词: 超连续谱产生, 钽酸锂, 紫外光, 中红外光谱学, 集成光子学