有關微腔非線性光學的研究
左圖:表面二次諧波效應示意圖;右圖:光學微腔增強表面非線性效應。 二階非線性光學效應是現(xiàn)代光學研究與應用中最基本、最重要的非線性光學過程之一,被廣泛地用于實現(xiàn)頻率轉換、光學調(diào)制和量子光源等。由于結構反演對稱性的限制,常用的硅基光子學材料往往不具備二階非線性電偶極響應。借助材料的表面或界面,這種反演對稱性可以被打破,進而誘導出二階非線性光學響應。然而,傳統(tǒng)的表/界面非線性光學研究存在兩個重要挑戰(zhàn):一是非線性轉換效率極低,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嚴重地干擾表面對稱性破缺誘導的非線性信號分析。 該項工作中,北京大學課題組利用超高品質(zhì)因子回音壁光學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,研究人員發(fā)展了一種動態(tài)相位匹配方法,利用光學微腔中熱效應和光學克爾效應的相位調(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換效率達0.049% W-1,相比傳統(tǒng)表面非線性光學,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的非線性信號,排除了體相電四極響應的干擾。這種表面對稱性破缺誘導的非線性信號有望作為一種超高靈敏度的無標記“探針”,用來檢測和研究材料表面分子的結構、排布、吸收等物理與化學性質(zhì),為表面科學研究與應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,可進一步推廣到不同材料、不同形狀的光學諧振腔中,有望在非線性集成光子學中發(fā)揮重要作用。
北京大學
2021-04-11