[论文解读] Continuous-wave second-harmonic generation in the far-UVC pumped by a blue laser diode

Eric J. Stanton, Peter Tønning+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Photonic and Optical DevicesEngineering被引用 3

一句话总结

本论文展示了一种紧凑的连续波远紫外激光源，波长为202.5 nm，通过使用低成本蓝色激光二极管泵浦，在纳米光子波导中实现二次谐振频率转换（SHG）而获得。通过在键合氮化硅（SiN）波导与β硼酸钡（BBO）晶体之间实现切伦科夫相位匹配，该系统实现了高效的频率转换，测得的远紫外激光输出强度为0.17 µW/cm²，展示了适用于人体安全消毒和紫外光谱分析的可扩展固态平台。

ABSTRACT

Far-UVC light in the wavelength range of 200-230 nm has attracted renewed interest because of its safety for human exposure and effectiveness in inactivating pathogens. Here we present a compact solid-state far-UVC laser source based on second-harmonic generation (SHG) using a low-cost commercially-available blue laser diode pump. Leveraging the high intensity of light in a nanophotonic waveguide and heterogeneous integration, our approach achieves Cherenkov phase-matching across a bonded interface consisting of a silicon nitride (SiN) waveguide and a beta barium borate (BBO) nonlinear crystal. Through systematic investigations of waveguide dimensions and pump power, we analyze the dependencies of Cherenkov emission angle, conversion efficiency, and output power. Experimental results confirm the feasibility of generating far-UVC, paving the way for mass production in a compact form factor. This solid-state far-UVC laser source shows significant potential for applications in human-safe disinfection, non-line-of-sight free-space communication, and deep-UV Raman spectroscopy.

研究动机与目标

• 开发一种适用于人体暴露和实际部署的紧凑、连续波远紫外激光源。
• 克服现有KrCl准分子灯的局限性，如体积庞大、功耗高以及需要高压运行。
• 利用商用蓝色激光二极管和集成纳米光子波导，实现高效、可扩展且低成本的远紫外光生成。
• 在异质SiN-BBO波导结构中展示切伦科夫相位匹配，以实现高效率的二次谐振频率转换。

提出的方法

• 在由氮化硅（SiN）芯层和键合的β硼酸钡（BBO）非线性晶体组成的混合波导中实现二次谐振频率转换（SHG）。
• 通过键合的SiN-BBO界面实现切伦科夫相位匹配，从而实现从445 nm到202.5 nm的高效频率转换。
• 使用445 nm连续波蓝色激光二极管作为泵浦源，通过光纤耦合至波导以实现激发。
• 通过改变芯层宽度和厚度，系统性地优化波导结构，以最大化基模与BBO晶体的模场重叠，从而提升转换效率。
• 利用紫外敏感光电发射探测器和光学光谱仪表征远紫外输出，通过一维转盘仪测量其方向依赖性。
• 采用高度紫外反射的PTFE投影屏幕和220 nm带通滤光片，有效抑制强蓝色泵浦光散射，实现远紫外信号的隔离。

Figure 1: a , Schematic of chip-to-chip edge coupling concept between a laser diode and the frequency converter showing the far-UVC generated at an angle above the waveguide core. b , Waveguide cross-section schematic showing the BBO nonlinear crystal bonded to the SiN waveguide core of width $w$ an

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在紧凑的集成波导平台上，利用低成本蓝色激光二极管泵浦，高效实现连续波二次谐振频率转换？
• RQ2 为最大化基模与BBO非线性晶体之间的重叠，波导的最佳几何参数（宽度和厚度）是什么，以提升SHG效率？
• RQ3 切伦科夫发射角度和输出功率如何随泵浦功率和波导尺寸变化？
• RQ4 尽管存在强烈的蓝色泵浦光背景，能否可靠地检测和表征202.5 nm的远紫外光？
• RQ5 在采用SiN与BBO异质集成的固态、芯片级远紫外光源中，可实现的转换效率和输出功率是多少？

主要发现

• 成功利用445 nm蓝色激光二极管泵浦，在SiN-BBO波导中通过二次谐振频率转换生成了202.5 nm的远紫外光。
• 测得的远紫外光输出强度为0.17 µW/cm²，对应远场模式中的局部辐照度。
• 系统展示了在SiN-BBO键合界面处的切伦科夫相位匹配，实现了高效的频率转换，其中显著部分的倏逝场与BBO晶体重叠。
• 波导设计实现了58%的模场限制在SiN芯层中，26%的倏逝场与BBO晶体重叠，有助于增强非线性相互作用。
• 远紫外信号通过高灵敏度光电发射探测器检测，光谱仪提供了校准后的强度测量，证实了202.5 nm波长处存在紫外发射。
• 采用具有220 nm带通特性的PTFE投影屏幕，有效抑制了蓝色泵浦光，实现了远紫外发射模式的清晰成像。

Figure 2: a , Cherenkov angle simulated for the BBO/SiN hybrid waveguide for various thicknesses and widths of the SiN waveguide core. b , Cherenkov nonlinear coupling parameter in a BBO/SiN waveguide as a function of the SiN core height and width. c , Trends of the signal power with waveguide width