中国光学十大进展｜用“回音壁”将光合二为一，得到灵敏探针

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天坛的耳语墙之所以能使100米长的语音传输清晰，是因为它特殊的弧度将声波集中在弧形墙内进行传输。

有没有弯曲的“墙”可以收集光波并获得更高的能量？

北京大学肖云峰教授和龚院士领导的研究团队利用超高品质因数回音壁光学微腔获得了“二合一”光波，比以前的方法效率提高了14个数量级。

增强后的光信号可以作为超高灵敏度的未标记“探针”来检测和研究材料表面分子的结构、排列、吸收等物理和化学性质。

由中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办的《中国激光》杂志最近发布了2019年中国光学十大进展。上述“微腔表面对称性破缺诱导的非线性光学”被选为基础研究成果。

来自澎湃新闻(www.thepaper.cn)的记者邀请了微腔非线性光学专家、南开大学物理学院副院长方博教授来解释结果。方博说回音壁光学微腔(例如球形微腔)的基本原理是光波在材料表面被完全反射，从而光波可以沿着内表面连续传输。这个过程类似于天坛窃窃私语墙的声音传播。

“它最突出的特点是可以将光长时间限制在腔内，从而获得很强的能量积累，这就是超高品质因数的含义。”他说。

光子组合

从专业的角度来看，北京大学团队的研究成果增强了“二阶非线性光学效应”。

什么是非线性光学？线性光学的特点是不改变光的频率。因为光的能量与频率成正比，所以如果不改变频率，能量就不会改变。

相反，可以推断非线性光学可能经历能量变化。其中，二阶非线性光学效应是现代光学研究和应用中最基本、最重要的非线性光学过程之一。它被广泛用于实现变频、光调制和量子光源。

我们可以理解二阶非线性光学效应是将两个频率为“1”的光子结合成一个频率为“2”的光子，使单个光子的能量加倍。

虽然听起来很美，但实现这样一个计划是非常困难的。非线性光学效应的研究直到人类产生强激光和使用特殊材料表面或界面才成为可能。

“表面非线性光学效应通常与材料的表面性质密切相关，是研究表面物理和表面成分检测的利器，”方博说。“相关研究已有近40年的历史，但长期的挑战是转换效率极低。”

即使在高强度脉冲光的激发下，我们也只能得到几个二阶非线性光子。

“点对点”

北京大学的团队想出了回音壁光学微腔的工具。它在增强光和物质之间的相互作用方面发挥了巨大的作用，并能在弱光输入下产生显著的非线性光学效应。

然而，很好地使用这个工具并不容易。只有在非常窄的波长范围内，激发光(即初始光波)和谐波(即“合成”光波)与微腔模式共振，它们才能在回音壁微腔中有显著的相互作用。

方博表示，北京大学团队在研究过程中遇到的最大挑战是激光和微腔模的线宽非常窄，难以使激发光和谐波信号同时与相应的微腔模共振。

“一般来说，不仅激发光和微腔模‘针尖对针尖’，而且谐波光和另一个微腔模也应该‘针尖对针尖’。”方博说。

为此，北京大学的研究团队提出了动态相位匹配原理，并通过热效应补偿了材料的色散，从而圆满地解决了这一问题。

高度敏感的“探针”

最后，实验二次谐波转换效率高达0.049% /W，比传统的表面非线性光学高14个数量级。

此外，通过对基波极化和二次谐波模场分布的进一步测量和分析，研究团队成功地消除了体相电四极响应的干扰，并提取了仅由表面对称性破坏引起的非线性信号。

方博说，这个信号被“回音壁”大大增强，可以作为超高灵敏度的未标记“探针”来检测和研究物质表面分子的结构、排列和吸收等物理化学性质，为表面科学的研究和应用提供了一个新的物理平台。

在研究过程中发展起来的动态相位匹配机制具有普适性，可以进一步扩展到不同材料和形状的光学谐振腔，并在非线性集成光子学中发挥重要作用。

作为后续工作，研究小组将一方面引入其他材料来修饰微腔表面，以调节微腔表面的非线性光学行为；另一方面，这种“探针”用于对微腔周围的物质分子进行无标记检测和特异性识别。

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