微腔非線性光學(xué)研究中的重要突破
北京大學(xué)物理學(xué)院“科技部極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”肖云峰研究員和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組利用超高品質(zhì)因子回音壁模式光學(xué)微腔,極大地增強了表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性光學(xué)效應(yīng),得到的二次諧波轉(zhuǎn)換效率提升了14個數(shù)量級。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然?光子學(xué)》(Nature Photonics)上,文章題為“Symmetry-breaking-induced nonlinear optics at a microcavity surface”。左圖:表面二次諧波效應(yīng)示意圖;右圖:光學(xué)微腔增強表面非線性效應(yīng)。 二階非線性光學(xué)效應(yīng)是現(xiàn)代光學(xué)研究與應(yīng)用中最基本、最重要的非線性光學(xué)過程之一,被廣泛地用于實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)調(diào)制和量子光源等。由于結(jié)構(gòu)反演對稱性的限制,常用的硅基光子學(xué)材料往往不具備二階非線性電偶極響應(yīng)。借助材料的表面或界面,這種反演對稱性可以被打破,進(jìn)而誘導(dǎo)出二階非線性光學(xué)響應(yīng)。然而,傳統(tǒng)的表/界面非線性光學(xué)研究存在兩個重要挑戰(zhàn):一是非線性轉(zhuǎn)換效率極低,即使在高強度的脈沖光激發(fā)下也僅能產(chǎn)生極少量的二階非線性光子;二是體相電四極響應(yīng)嚴(yán)重地干擾表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號分析。 該項工作中,北京大學(xué)課題組利用超高品質(zhì)因子回音壁光學(xué)微腔極大增強光與物質(zhì)相互作用的優(yōu)勢,在二氧化硅微球腔中獲得了高亮度的二次諧波和二次和頻信號。為了充分發(fā)揮微腔“雙增強”效應(yīng),研究人員發(fā)展了一種動態(tài)相位匹配方法,利用光學(xué)微腔中熱效應(yīng)和光學(xué)克爾效應(yīng)的相位調(diào)制,高效地實現(xiàn)了基波和諧波信號同時與微腔模式共振。實驗上獲得的二次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)0.049% W-1,相比傳統(tǒng)表面非線性光學(xué),該效率增強了14個數(shù)量級。左圖:實驗獲得的激發(fā)光和二次諧波光譜圖;右圖:動態(tài)相位匹配過程二次諧波功率變化。 研究人員進(jìn)一步通過對基波偏振和二次諧波模式場分布的測量分析,成功提取得到只有表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號,排除了體相電四極響應(yīng)的干擾。這種表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號有望作為一種超高靈敏度的無標(biāo)記“探針”,用來檢測和研究材料表面分子的結(jié)構(gòu)、排布、吸收等物理與化學(xué)性質(zhì),為表面科學(xué)研究與應(yīng)用提供了一個全新的物理平臺;同時,該項研究發(fā)展的動態(tài)相位匹配機制具有普適性,可進(jìn)一步推廣到不同材料、不同形狀的光學(xué)諧振腔中,有望在非線性集成光子學(xué)中發(fā)揮重要作用。 研究論文的共同第一作者是張雪悅和曹啟韜同學(xué),現(xiàn)分別在美國加州理工學(xué)院應(yīng)用物理系和北京大學(xué)物理學(xué)院攻讀博士學(xué)位,通訊作者為肖云峰研究員。論文合作者包括新加坡國立大學(xué)仇成偉教授和王卓博士、清華大學(xué)劉玉璽教授、圣路易斯華盛頓大學(xué)楊蘭教授等。 研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。
北京大學(xué)
2021-04-11