中国光学十大进展｜用“回音壁”将光合二为一，得到灵敏探针

中国光学十大进展｜每秒4万亿帧相机，把光拍成黑客帝国子弹

天坛的回音壁之所以能令语声传送百米仍辩字清晰、气韵悠长，是因为其特别的弧度将声波汇聚在弯曲墙壁内侧进行传播。

那有没有一面弯曲的“墙壁”可以汇聚光波，得到更高的能量？

北京大学肖云峰教授和龚旗煌院士领导的研究团队就利用超高品质因子回音壁光学微腔，得到了“合二为一”的光波，相比此前的方法合成效率提升了14个数量级。

这种增强后的光学信号可以作为一种超高灵敏度的无标记“探针”，用来检测和研究材料表面分子的结构、排布、吸收等物理、化学性质。

由中科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社近日发布2019年度中国光学十大进展，上述“微腔表面对称性破缺诱导非线性光学”作为基础研究类成果入选。

澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者邀请微腔非线性光学专家、南开大学物理科学学院副院长薄方教授解读该成果。薄方介绍道，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处发生全反射，使得光波能够沿内表面持续传输。这个过程与天坛回音壁传声类似。

“它最显著的特点是可以长时间的把光限制在腔体里面，从而实现很强的能量积累，这也就是超高品质因子的含义。”他说道。

光子二合一

北京大学团队的这项研究成果，从专业角度上讲是增强了“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。由于光的能量与频率呈正比，不改变频率，能量也就不会发生改变。

反之即可推出，非线性光学可能会发生能量变化。其中，二阶非线性光学效应是现代光学研究与应用中最基本、最重要的非线性光学过程之一，被广泛地用于实现频率转换、光学调制和量子光源等。

我们可以通俗地理解，二阶非线性光学效应是把两个频率为“1”的光子，合并成了一个频率为“2”的光子，单光子的能量翻倍。

虽然听起来很美好，但这样的方案实现起来是很难的。直到人类制造出了强激光，借助特殊的材料表面或界面，非线性光学效应研究才成为可能。

“表面非线性光学效应通常与材料表面的性质息息相关，是研究表面物理与表面成分检测的利器，”薄方说道。“相关研究已经有近40年的历史，但是长期以来的挑战是转换效率极低。”

即使在高强度的脉冲光激发下，我们也只能得到极少数的二阶非线性光子。

“针尖对针尖”

北京大学团队想到了回音壁光学微腔这一工具。它已经在增强光与物质相互作用中大展身手，可以在弱光输入下产生显著的非线性光学效应。

不过，要用好这一工具也不容易。只有在一个很窄的波长范围内，激发光（即一开始的光波）与谐波（即“合成”的光波）都与微腔模式共振，它们才能在回音壁微腔中发生显著的相互作用。

薄方介绍，北京大学团队在研究过程中遇到的最大挑战是由于激光和微腔模式的线宽均极窄，实验上很难使得激发光和谐波光信号同时与对应的微腔模式发生共振。

“通俗地讲，不但需要激发光与微腔模式‘针尖对准针尖’，而且谐波光与另一微腔模式也应该‘针尖对准针尖’。”薄方说到。

为此，北京大学研究团队提出动态相位匹配的原理，通过热效应补偿材料色散，比较圆满的解决了这个问题。

高灵敏“探针”

最终，实验上获得的二次谐波转换效率高达0.049% /W，相比传统表面非线性光学的结果增强了14个数量级。

此外，研究团队通过进一步对基波偏振和二次谐波模式场分布的测量分析，成功排除了体相电四极响应的干扰，提取得到只有表面对称性破缺诱导的非线性信号。

薄方介绍道，这种信号被“回音壁”大大增强，可以作为一种超高灵敏度的无标记“探针”，用来检测和研究材料表面分子的结构、排布、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全新的物理平台。

研究过程中发展的动态相位匹配机制具有普适性，可进一步推广到不同材料、不同形状的光学谐振腔中，并可能在非线性集成光子学中发挥重要作用。

作为后续，研究团队将一方面引入其它材料对微腔表面进行修饰，调控微腔表面的非线性光学行为；另一方面，利用这种“探针”对微腔周围的物质分子做无标记探测以及特异性识别。