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高性能的相干光源是基礎光物理研究和集成光子學應用的關鍵前提之一。近年來，具有超高品質因子的回音壁模式光學微腔已經成為研究各種新型高效光源的重要平臺，實驗上已經獲得了包括宇稱-時間反演對稱激光、軌道角動量激光和微腔光學頻率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征對稱性導致腔中激光場通常是等強度相向傳輸的，嚴重阻礙了諸多光子學器件應用的發(fā)展，例如單向光發(fā)射、全光寄存器和非互易光傳輸等。迄今，要獲得具有單向性的回音壁微腔手征激光，通常需要直接打破光學諧振腔的幾何手征對稱性。這種方法得到的激光方向性是固定的，難以動態(tài)調控其出射性質，且對諧振腔的形狀設計和工藝制備要求較高。

自發(fā)對稱性破缺是指物理系統(tǒng)保持原本的對稱性，而其卻選擇了另一種不具備對稱性的狀態(tài)，它是很多相變過程和非互易系統(tǒng)的基本原理，例如，弱相互作用的宇稱不守恒和希格斯機制均是自發(fā)對稱性破缺的著名例子。回音壁模式光學微腔由于其固有的旋轉對稱性，可以支持一對簡并的沿順時針和逆時針傳播的行波模式；同時，它具有超高的品質因子和很小的模式體積，可以極大地增強光和物質的相互作用，是研究對稱性物理和非線性光學的理想平臺。研究團隊利用光學克爾效應，使微腔中相向傳播、相等強度的行波光場之間發(fā)生交叉相位調制，從而產生了非線性耦合。因此，通過控制輸入光強可以將這對行波場之間的等效耦合強度調制為零，使得系統(tǒng)中原本的對稱狀態(tài)不再穩(wěn)定，自發(fā)地分裂為兩個非對稱的狀態(tài)，實現了光場的自發(fā)對稱性破缺。采用具有相同強度和偏振的雙向輸入光，來激發(fā)芯片上圓形微腔中的超高品質因子回音壁模式。當輸入光功率很小時，系統(tǒng)狀態(tài)保持原本的對稱性，表現為順時針和逆時針行波場的強度相等；隨著輸入光功率的增強，由交叉克爾效應引起的非線性耦合強度隨之變大，當功率達到一定閾值（百微瓦量級）之后，系統(tǒng)會隨機地進入一個順時針傾向或逆時針傾向的狀態(tài)，表現為自發(fā)對稱性破缺。實驗上，每個破缺狀態(tài)中行波強度之比超過了20:1，實驗數據與嚴格理論解析結果吻合。

二階非線性光學效應是現代光學研究與應用中最重要的非線性光學過程之一。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)的表非線性光學效應轉換效率極低，且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。在本項研究工作中，課題組人員利用超高品質因子回音壁光學微腔在實驗上獲得了高亮度的二次諧波和二次和頻信號。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制，高效地實現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相比傳統(tǒng)表面非線性光學增強了14個數量級。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。

成果創(chuàng)新點 1.在光學微腔器件的晶體腔加工、PPLN 微腔加工、微 腔耦合與封裝、微腔超高 Q 值檢測方面，分別提出了先進 而完善的實施方案，并申請了相關發(fā)明專利。現有晶體微 腔 Q 值國內最高水平 106，國外達到 109，本項目可優(yōu)于 108， 從而達到國內領先，國際先進水平。 2.在光學微腔器件應用方面，研發(fā)例如超窄線寬激光 器（精密測量、物理量精密傳感）、超窄線寬濾波器（激 光技術

1.在光學微腔器件的晶體腔加工、PPLN 微腔加工、微腔耦合與封裝、微腔超高 Q 值檢測方面，分別提出了先進而完善的實施方案，并申請了相關發(fā)明專利。現有晶體微腔 Q 值國內最高水平 106，國外達到 109，本項目可優(yōu)于 108，從而達到國內領先，國際先進水平。 2.在光學微腔器件應用方面，研發(fā)例如超窄線寬激光器（精密測量、物理量精密傳感）、超窄線寬濾波器（激光技術）等小型化器件的技術原理和實現方案。與常規(guī)產品相比，體積可縮小至 500 立方厘米以下，精度可提高 2個量級，成本可下降 80%。成果可實現的光學微腔器件主要指標：研制出光學晶體微腔，Q 值優(yōu)于 108，根據用戶要求研制小型化應用模塊。

項目針對腔鏡微創(chuàng)器械結構復雜、精度與材料要求高等特點，設計出更靈（更靈活的腕部）、更小（直徑小于10mm）、更巧（自動縫合）的腔鏡微創(chuàng)器械。解決了受限空間下多自由度運動/力傳遞問題，實現了面向復雜操作的器械功能末端設計。

可以用來設計優(yōu)化光學諧振腔。不僅可以模擬諧振腔特性，而且軟件可以計算熱透鏡效應、失調、色散、Gouy 相移、簡并度等對光束半徑和光腔模式的影響。軟件同時可以用于設計給定要求的激光腔,比如給定在特定位置的模式大小,最小靈敏度，熱透鏡效應和失調、最小畸變的光束質量等。 ABCDEF矩陣算法： RP Resonator 的計算是基于一個擴展的 ABCDEF 矩陣算法。與通常使用的 ABCD 矩陣算法相比，它不僅可以進行模式半徑的計算，也能計算由于腔鏡失調所造成的光束位置改變。 另外，它也可以處理與波長相關的折射，比如在棱鏡中的折射，在鎖模激光器的諧振腔里，其色散補償是通過一個棱鏡來完成。該軟件可以計算不同波長的光程和由此而產生的色散。 直線腔和環(huán)形腔也可以和從激光諧振腔里輸出的光束一樣被當作單程傳播來處理。對于環(huán)形腔，光束的路徑可以自動閉合，也就是說，第一個和最后一個鏡子的取向及它們之間的路徑長度可以自動計算。由此產生的設置可以圖形化地顯示，以立即識別可能的錯誤輸入。 具體功能與應用： ——分析已有的諧振腔設計，如檢查其穩(wěn)定區(qū)域、準直特性、色散效應等。 ——使復雜的諧振腔設計優(yōu)化工作變得容易，如優(yōu)化激光器性能。 精煉研究人員對諧振腔的理解。如通過數值模擬演示各種參數。 ——軟件帶有非常強大的腳本語言并伴隨有腳本向導功能，很容易的通過填表格的形式（簡單的輸入數字或數學公式）生成大段的腳本代碼。 ——腳本語言的強大意味著更豐富的靈活性。例如，用戶可以定義含有多個激光晶體的光腔模型等。 ——與其它類似的軟件相比，RP Resonator 允許用戶將諧振腔特性參數化。這意味著用戶可以使用數學表達式定義，而不是僅僅只能定義簡單的參數如腔長、反射鏡曲率半徑等。在生成的圖像中，用戶也可以觀察不同位置的光腔特性。與腳本語言相結合，用戶開發(fā)過程中會擁有極大的靈活性。而這功能是在其它類似軟件中很難找到的。   非常適合以下機構: ——開發(fā)激光器、參量振蕩器，或包含無源光學諧振腔的器件的工業(yè)公司 ——詳細具體研究這些設備各個方面功能原理的研究實驗室 ——教導人們對此類設備形成牢固技術理解的教育機構     在任何情況下，RP Resonator 都將為您提供實質性的競爭優(yōu)勢，因為您的工作將更加有效和高效：您將能夠快速可靠的知道諧振腔的功能特性以及改進它們的方式。

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，被廣泛地用于實現頻率轉換、光學調制和量子光源等。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因子回音壁光學微腔極大增強光與物質相互作用的優(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制，高效地實現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，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。

北京大學物理學院肖云峰教授與龔旗煌院士領導的研究團隊在微腔非線性光學研究取得重要進展：首次實現有機分子修飾的二氧化硅光學微腔的高效三次諧波產生，比此前報道的二氧化硅微腔轉換效率提高了四個量級，接近晶體微環(huán)腔三次諧波的最高轉換效率。成果被《物理評論快報》以封面及編輯推薦形式亮點報道：Phys. Rev. Lett. 123, 173902 (2019)。論文題為“Microcavity Nonlinear Optics with an Organically Functionalized Surface” (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.173902)。左圖：二氧化硅微腔表面修飾有機共軛分子；右圖：實驗測得的激發(fā)光和三次諧波光譜圖 三階非線性光學效應是現代光學研究和應用中最重要的非線性光學過程之一，被廣泛應用于實現光頻梳、全光開關和量子光源等。二氧化硅回音壁微腔由于具有超高的品質因子和成熟的制備工藝，已經成為是現代光子學研究的重要器件。然而，由于材料的限制，二氧化硅三階光學非線性響應較弱于多數晶體材料，這嚴重地制約了二氧化硅微腔器件的性能。另一方面，有機共軛小分子具有離域的?電子系統(tǒng)，在光場激發(fā)下，離域電子表現出很強的非諧振動，從而具有很高的非線性響應系數。同時，回音壁微腔的表面倏逝場為微腔與外界物質相互作用提供天然的通道。因此，采用表面修飾技術，光學微腔和高非線性響應的有機分子形成連結；有機分子通過表面倏逝場作用，有效地調控微腔系統(tǒng)的非線性效應，從而提高微腔器件的性能甚至可能突破微腔材料的限制。 在該項工作中，研究團隊通過采用兩步反應法，實現了二氧化硅微腔表面均勻地修飾有機分子層，既有效增強了微腔表面三階非線性系數，同時保持了腔的高品質因子特性。實驗中，研究者采用最近發(fā)展的動態(tài)相位匹配技術，即基于腔克爾效應和熱效應補償非線性頻率轉換過程中本征的相位失配，實現泵浦光和諧波頻率與熱腔模頻率的共振匹配，最終實驗上觀測到三次諧波轉換效率達到1680%/W2，比之前報道的二氧化硅微腔的最高轉換效率提高了四個量級，接近目前晶體微環(huán)腔轉換效率的最高值。研究者進一步地在實驗上揭示了三次諧波的增強來自表面修飾的有機分子：微腔三次諧波/合頻轉換效率顯著依賴于泵浦光偏振，平均輸出功率對比度達到50倍，這是由于有機分子偶極取向導致的偏振依賴響應。該工作采用的表面修飾技術和動態(tài)相位匹配方法可以普適地推廣到其它微腔和光波導等體系中，在寬帶可調諧非線頻率轉換和表面科學研究中發(fā)揮重要作用。

利用周期性共振光脈沖序列導致的自旋依賴布居數耗散、射頻場耦合下的自旋拉比振蕩、以及Feshbach共振調制下的相互作用控制，在一個量子系統(tǒng)中同時實現了精密調控耗散、相干和相互作用三大要素，為實現宇稱-時間對稱的非厄米哈密頓量的量子模擬奠定了技術基礎。       實驗結果不僅精確地復現了在經典系統(tǒng)中已經觀測到的靜態(tài)哈密頓量的宇稱-時間對稱性破缺，還利用周期性耗散機制發(fā)現了在任意小耗散下的宇稱-時間對稱性破缺，觀察到系統(tǒng)的能量可以在極其微小的耗散下發(fā)生不可逆的發(fā)散。不同于以往靜態(tài)哈密頓量的單參數相變，周期性耗散驅動的宇稱-時間對稱性的相圖在頻率的參數空間實現延拓，在特定的頻率區(qū)間，宇稱-時間對稱性對于耗散有極其敏感的響應。這個現象之前只有理論預言，而羅樂教授小組首次在絕對零度之上500納開爾文的超冷費米氣體中首次觀測到。同時這項工作還發(fā)現了對稱性破缺點附近的慢衰變模式、類比于多光子躍遷的高階PT對稱性破缺等新穎有趣的物理現象。       目前，羅樂教授研究團隊正基于非厄米量子體系研究宇稱-時間對稱哈密頓量的拓撲量子態(tài)轉換、耗散下的量子相干態(tài)保持、以及高階奇異點附件的超靈敏能譜響應。這些研究將為基于開放量子系統(tǒng)的量子計算和量子精密測量開拓新的前沿。