突破了微纳光学器件近场耦合需要相位匹配(即
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近日,北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”肖云峰研究员和龚旗煌院士领导的课题组提出混沌辅助的光子动量快速转换的新原理,实现了超高品质因子光学微腔和纳米尺度波导的超宽带耦合,突破了微纳光学器件近场耦合需要相位匹配(即动量守恒)的限制。相关研究于2017年10月20日发表在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上(Xuefeng Jiang, Linbo Shao, Shu-Xin Zhang, Xu Yi, Jan Wiersig, Li Wang, Qihuang Gong, Marko Lončar, Lan Yang, and Yun-Feng Xiao, Chaos-assisted broadband momentum transformation in optical microresonators, Science, DOI: 10.1126/science.aao0763)。

据麦姆斯咨询报道,美国伯克利实验室的研究人员展示了一种在聚合物微球形状上有趣的回音壁模式激光结构,微球的直径约为5μm,上面覆盖着掺铥氟化钇钠纳米微粒。

动量守恒是自然界中最普遍的客观规律之一,反映了时空性质。大到宇宙星系运动,小到质子、电子或光子等基本粒子间的相互作用,一个封闭系统的广义动量总是保持不变。例如,光子在不同光学结构之间的耦合过程必须遵循动量守恒定律,但由此限制了诸多重要的光子学应用。

这项研究源于伯克利实验室的分子实验室最初的理论发现,该研究利用计算模型预测暴露于特定频率红外激光的掺铥纳米微粒,将发出更高频率的光,事实上,这就是一种光的“上转换”现象。

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目前,研究者已通过实验证明了这种上转换,并在名为“Continuous——wave upconverting nanoparticle microlasers”的论文中完整地记录为“回音壁模式激光”的一种形式,该论文发表于《自然?纳米技术》杂志。

 

图左:由激光照射的微球产生循环于微球内部的光模态;图右:模拟了5μm微球内部光场的分布情况

微腔光学课题组部分成员在研究中

当红外激光激发了微球外表面的掺铥纳米微粒时,纳米微粒发出的光就可在微球内表面反弹,如同圆形墙壁上反射的声波一样。由于光在几分之一秒的时间内围绕微球进行了数千次圆周运动,这会导致某些频率的光自身产生干涉,可在相长干涉时产生明亮的光,在相消干涉时产生暗点。一旦达到一定阈值,光就可以在级联放大效应中激发更多的光发射。

光学微腔可以将光子长时间局域在很小的空间内,形成显著的能量累积效应,因而增强了光和物质的相互作用,已经成为基础光物理和光子学研究的重要平台。正如北京天坛的回音壁可以将声波汇聚在一个特定的空间内进行传播,光学微腔中也有一种相似原理的回音壁模式谐振腔,它利用的是光在介质微腔内表面的连续全反射,从而相干叠加形成谐振模式。光的全反射损耗极小,显著地增加了腔内光子寿命,因而更大地增强了光与物质相互作用。回音壁光学微腔已被广泛应用于弱光非线性、强耦合腔量子电动力学和光声相互作用等物理过程,以及微纳尺度激光、高灵敏生化传感和精密测量等应用研究。

研究人员通过利用在掺铥上转换纳米微粒和合适微球尺寸中发现的能量循环激发机制,实现了极低激发水平的连续波上转换激光。

光学微腔应用的关键前提是其与光波导之间的耦合。长期以来,国际学术界主要是通过建立波导模式与微腔高度局域模式的直接相互作用,实现有效耦合,故而需要满足相位匹配条件(动量守恒);然而,由于波导与微腔存在不同的材料和几何色散,相位匹配条件仅在较窄光谱范围内满足,严重制约了微腔宽带光子学应用。

该论文还指出,使用红外线照射特殊涂层微粒,使其在蓝色和近红外波长下产生稳定的激光,可持续超过5小时。这与其他报告中的只能间歇运行的上转换纳米级激光形成了鲜明的对比。

该项工作中,北京大学微腔光学课题组通过精心设计光学微腔的几何形状,打破了传统微腔的旋转对称性,调控了局域光场分布,从而在支持分立的超高品质回音壁模式的同时获得了大量准连续的混沌模式。光子首先从纳米波导直接折射进入微腔混沌模式,其角动量较小,对应于光子在微腔界面的反射角较小。与旋转对称微腔不同,混沌运动使得光子角动量不断发生变化。尤其引人注目的是,微腔内的混沌光子运动并非毫无规律,而是遵循特定的短时动力学规律,从而实现入射光子的角动量在皮秒时间尺度内(一皮秒相当于一万亿分之一秒)随混沌运动从小到大的快速转换(如图二、三)。当混沌光子的角动量接近回音壁模式角动量时,二者之间可以发生共振隧穿过程。得益于光子角动量在混沌运动中的快速转换,此创新方法可以实现纳米尺度波导与回音壁光学模式的超宽带耦合。

该论文的作者之一Jim Schuck解释说:“大多数基于纳米粒子的激光器升温会很快,并会在几分钟内熄灭。我们的激光则会一直存在,该性能让我们可针对不同应用调整其信号。”

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目前,研究人员正在探索:通过改变微球的大小和组成,来调整这种连续发射微激光器的输出光。他们正利用分子实验室名为“WANDA”的机器人系统,来将不同掺杂元素结合起来,并调整纳米微粒的性能。

 

研究者们认为这些微尺寸激光器可在复杂的生物环境中找到传感和照明的相关应用。

(图二)混沌辅助的宽带光子动量转换示意图(由Second Bay Studios制作)

文章来源:微迷网

在理论研究中,研究团队通过基于时域有限差分法的三维模拟研究了混沌光子的角动量快速转换及隧穿的瞬态动力学过程。结果表明,混沌辅助的角动量转换新原理可以实现二氧化硅微腔在全透明波段内(500-2900纳米)回音壁模式的高效耦合。实验上,他们使用非对称的微盘腔和纳米光纤波导作为实验平台,从可见到红外波段证实了该角动量转化耦合过程具有超宽带的特性。该原理也在三次谐波等非线性频率转换实验中得到了重要应用:如图三所示,用1550纳米波长激光激发相同的光学微腔,在同一激发强度下,通过新原理产生到的517纳米波长三次谐波绿光的光强相比于传统方法提高了三个量级。此外,该原理在宽带级联拉曼激光和光学频率梳等宽带非线性光学应用中也可以发挥出巨大优势。

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(图三)混动辅助的角动量转换新原理研究成果:混沌瞬态动力学过程、宽带级联拉曼激光实验和三次谐波频率转换实验

混沌辅助的动量转换新机制具有普适性,可以扩展到其它光学微腔类型,例如,光子晶体腔和法布里-珀罗腔等,以及其它的电磁波频段,例如,微波、太赫兹波等;并可能在集成光子学、光学网络、量子信息处理等领域发挥重要作用。

微腔光学研究领域著名国际专家,加州理工学院讲席教授Kerry Vahala评价本工作时指出:“混沌驱动的动力学建立了波导模式与微腔局域模式的桥梁,从而在极其宽谱范围实现两者的耦合,不仅从本质上提出了一种研究光学微腔的新方法,更闪耀着光学混沌中的物理之美。”

研究论文的共同第一作者是物理学院2014届博士毕业生姜雪峰和信息科学技术学院2014届本科毕业生邵林博,现分别在圣路易斯华盛顿大学从事博士后研究和哈佛大学攻读博士学位,论文通讯作者为肖云峰研究员。论文合作作者包括圣路易斯华盛顿大学的杨兰教授、哈佛大学的Marko Lončar教授、加州理工学院的易煦博士(物理学院2012届本科毕业生)和马格德堡大学的Jan Wiersig教授等人。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心等的支持。(新闻网学生记者于子悦对本文亦有贡献)

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