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成果創新點 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。

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，傳統的表/界面非線性光學研究存在兩個重要挑戰：一是非線性轉換效率極低，即使在高強度的脈沖光激發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。為了充分發揮微腔“雙增強”效應，研究人員發展了一種動態相位匹配方法，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：實驗獲得的激發光和二次諧波光譜圖；右圖：動態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，該項研究發展的動態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，在光場激發下，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，研究者采用最近發展的動態相位匹配技術，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揮重要作用。

北京大學物理學院“科技部極端光學創新研究團隊”肖云峰研究員和龔旗煌院士領導的課題組利用超高品質因子回音壁模式光學微腔，極大地增強了表面對稱性破缺誘導的非線性光學效應，得到的二次諧波轉換效率提升了14個數量級。相關研究成果在線發表在《自然?光子學》(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，傳統的表/界面非線性光學研究存在兩個重要挑戰：一是非線性轉換效率極低，即使在高強度的脈沖光激發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。為了充分發揮微腔“雙增強”效應，研究人員發展了一種動態相位匹配方法，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：實驗獲得的激發光和二次諧波光譜圖；右圖：動態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，該項研究發展的動態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，現分別在美國加州理工學院應用物理系和北京大學物理學院攻讀博士學位，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仇成偉教授和王卓博士、清華大學劉玉璽教授、圣路易斯華盛頓大學楊蘭教授等。 研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。

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展，例如單向光發射、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。

相關專利提出了一種新型的雙腔微導管，用于冠脈介入治療時輔助導絲到位

隨著納米技術的發展，光學腔的尺寸越來越小，甚至可以達到亞波長尺度或者納米尺度，同時伴隨著非常局域的電場。由于金屬的損耗以及低的收集效率，單個表面等離激元納腔和單個量子發射體的強耦合很少被報道。論文通過精心設計光學模式，將金屬納腔置于金屬或者介質納米線提供的一維的電磁真空背景中，通過一維電磁背景強局域效應，可極大地增強單個量子發射體和金屬納腔的相互作用。理論指出在疏逝的電磁背景下，納米間隙中的耦合系數可以達到真空中的4.2倍，同時熒光收集效率可提高到47%。此外，這個體系輻射出的光子，還可以通過納米線的一維倏逝波導入到集成芯片上。

光學頻率梳是具有確定梳齒頻率間隔的光頻標尺，在精密測量中發揮了極為重要的作用。近年來，一種基于光學微腔的新型芯片級光梳取得了突破性進展，其具備體積小、功耗低、精度高等優勢，大大拓寬了傳統桌面級精密光源的應用場景。目前，這種芯片級光梳已在超快激光雷達、光學頻率合成、大容量相干光通信和精密光譜學等方向上展現了巨大潛力，因而對基礎研究和產業應用都具有重要意義。然而，單個微腔光梳能夠覆蓋的光譜范圍往往被色散以及收集效率限制，從而阻礙了其在光學原子鐘、類地行星探尋、生物成像等重要領域的進一步應用。