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成果創(chuàng)新點 1.在光學(xué)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(guān)發(fā)明專利。現(xiàn)有晶體微 腔 Q 值國內(nèi)最高水平 106，國外達到 109，本項目可優(yōu)于 108， 從而達到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進水平。 2.在光學(xué)微腔器件應(yīng)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(shù)

1.在光學(xué)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(guān)發(fā)明專利。現(xiàn)有晶體微腔 Q 值國內(nèi)最高水平 106，國外達到 109，本項目可優(yōu)于 108，從而達到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進水平。 2.在光學(xué)微腔器件應(yīng)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(shù)）等小型化器件的技術(shù)原理和實現(xiàn)方案。與常規(guī)產(chǎn)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(xiàn)的光學(xué)微腔器件主要指標(biāo)：研制出光學(xué)晶體微腔，Q 值優(yōu)于 108，根據(jù)用戶要求研制小型化應(yīng)用模塊。

項目針對腔鏡微創(chuàng)器械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度與材料要求高等特點，設(shè)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(xiàn)了面向復(fù)雜操作的器械功能末端設(shè)計。

左圖：表面二次諧波效應(yīng)示意圖；右圖：光學(xué)微腔增強表面非線性效應(yīng)。 二階非線性光學(xué)效應(yīng)是現(xiàn)代光學(xué)研究與應(yīng)用中最基本、最重要的非線性光學(xué)過程之一，被廣泛地用于實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)調(diào)制和量子光源等。由于結(jié)構(gòu)反演對稱性的限制，常用的硅基光子學(xué)材料往往不具備二階非線性電偶極響應(yīng)。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(dǎo)出二階非線性光學(xué)響應(yīng)。然而，傳統(tǒng)的表/界面非線性光學(xué)研究存在兩個重要挑戰(zhàn)：一是非線性轉(zhuǎn)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(yīng)嚴(yán)重地干擾表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號分析。 該項工作中，北京大學(xué)課題組利用超高品質(zhì)因子回音壁光學(xué)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(yīng)，研究人員發(fā)展了一種動態(tài)相位匹配方法，利用光學(xué)微腔中熱效應(yīng)和光學(xué)克爾效應(yīng)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(zhuǎn)換效率達0.049% W-1，相比傳統(tǒng)表面非線性光學(xué)，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(dǎo)的非線性信號，排除了體相電四極響應(yīng)的干擾。這種表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號有望作為一種超高靈敏度的無標(biāo)記“探針”，用來檢測和研究材料表面分子的結(jié)構(gòu)、排布、吸收等物理與化學(xué)性質(zhì)，為表面科學(xué)研究與應(yīng)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(xué)諧振腔中，有望在非線性集成光子學(xué)中發(fā)揮重要作用。

北京大學(xué)物理學(xué)院肖云峰教授與龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在微腔非線性光學(xué)研究取得重要進展：首次實現(xiàn)有機分子修飾的二氧化硅光學(xué)微腔的高效三次諧波產(chǎn)生，比此前報道的二氧化硅微腔轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)效應(yīng)是現(xiàn)代光學(xué)研究和應(yīng)用中最重要的非線性光學(xué)過程之一，被廣泛應(yīng)用于實現(xiàn)光頻梳、全光開關(guān)和量子光源等。二氧化硅回音壁微腔由于具有超高的品質(zhì)因子和成熟的制備工藝，已經(jīng)成為是現(xiàn)代光子學(xué)研究的重要器件。然而，由于材料的限制，二氧化硅三階光學(xué)非線性響應(yīng)較弱于多數(shù)晶體材料，這嚴(yán)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(xiàn)出很強的非諧振動，從而具有很高的非線性響應(yīng)系數(shù)。同時，回音壁微腔的表面倏逝場為微腔與外界物質(zhì)相互作用提供天然的通道。因此，采用表面修飾技術(shù)，光學(xué)微腔和高非線性響應(yīng)的有機分子形成連結(jié)；有機分子通過表面倏逝場作用，有效地調(diào)控微腔系統(tǒng)的非線性效應(yīng)，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(yīng)法，實現(xiàn)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(shù)，同時保持了腔的高品質(zhì)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(shù)，即基于腔克爾效應(yīng)和熱效應(yīng)補償非線性頻率轉(zhuǎn)換過程中本征的相位失配，實現(xiàn)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(zhuǎn)換效率達到1680%/W2，比之前報道的二氧化硅微腔的最高轉(zhuǎn)換效率提高了四個量級，接近目前晶體微環(huán)腔轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?qū)е碌钠褚蕾図憫?yīng)。該工作采用的表面修飾技術(shù)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(dǎo)等體系中，在寬帶可調(diào)諧非線頻率轉(zhuǎn)換和表面科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用。

北京大學(xué)物理學(xué)院“科技部極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”肖云峰研究員和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組利用超高品質(zhì)因子回音壁模式光學(xué)微腔，極大地增強了表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性光學(xué)效應(yīng)，得到的二次諧波轉(zhuǎn)換效率提升了14個數(shù)量級。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然?光子學(xué)》(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(yīng)示意圖；右圖：光學(xué)微腔增強表面非線性效應(yīng)。 二階非線性光學(xué)效應(yīng)是現(xiàn)代光學(xué)研究與應(yīng)用中最基本、最重要的非線性光學(xué)過程之一，被廣泛地用于實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)調(diào)制和量子光源等。由于結(jié)構(gòu)反演對稱性的限制，常用的硅基光子學(xué)材料往往不具備二階非線性電偶極響應(yīng)。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(dǎo)出二階非線性光學(xué)響應(yīng)。然而，傳統(tǒng)的表/界面非線性光學(xué)研究存在兩個重要挑戰(zhàn)：一是非線性轉(zhuǎn)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(yīng)嚴(yán)重地干擾表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號分析。 該項工作中，北京大學(xué)課題組利用超高品質(zhì)因子回音壁光學(xué)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(yīng)，研究人員發(fā)展了一種動態(tài)相位匹配方法，利用光學(xué)微腔中熱效應(yīng)和光學(xué)克爾效應(yīng)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(zhuǎn)換效率達0.049% W-1，相比傳統(tǒng)表面非線性光學(xué)，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(dǎo)的非線性信號，排除了體相電四極響應(yīng)的干擾。這種表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號有望作為一種超高靈敏度的無標(biāo)記“探針”，用來檢測和研究材料表面分子的結(jié)構(gòu)、排布、吸收等物理與化學(xué)性質(zhì)，為表面科學(xué)研究與應(yīng)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(xué)諧振腔中，有望在非線性集成光子學(xué)中發(fā)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(xué)，現(xiàn)分別在美國加州理工學(xué)院應(yīng)用物理系和北京大學(xué)物理學(xué)院攻讀博士學(xué)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(xué)仇成偉教授和王卓博士、清華大學(xué)劉玉璽教授、圣路易斯華盛頓大學(xué)楊蘭教授等。 研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

高性能的相干光源是基礎(chǔ)光物理研究和集成光子學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵前提之一。近年來，具有超高品質(zhì)因子的回音壁模式光學(xué)微腔已經(jīng)成為研究各種新型高效光源的重要平臺，實驗上已經(jīng)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(xué)頻率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征對稱性導(dǎo)致腔中激光場通常是等強度相向傳輸?shù)模瑖?yán)重阻礙了諸多光子學(xué)器件應(yīng)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?shù)取Ｆ瘢@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(xué)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(diào)控其出射性質(zhì)，且對諧振腔的形狀設(shè)計和工藝制備要求較高。

相關(guān)專利提出了一種新型的雙腔微導(dǎo)管，用于冠脈介入治療時輔助導(dǎo)絲到位

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)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(fā)射體的強耦合很少被報道。論文通過精心設(shè)計光學(xué)模式，將金屬納腔置于金屬或者介質(zhì)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(yīng)，可極大地增強單個量子發(fā)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(shù)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(dǎo)入到集成芯片上。

光學(xué)頻率梳是具有確定梳齒頻率間隔的光頻標(biāo)尺，在精密測量中發(fā)揮了極為重要的作用。近年來，一種基于光學(xué)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(yōu)勢，大大拓寬了傳統(tǒng)桌面級精密光源的應(yīng)用場景。目前，這種芯片級光梳已在超快激光雷達、光學(xué)頻率合成、大容量相干光通信和精密光譜學(xué)等方向上展現(xiàn)了巨大潛力，因而對基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(xué)原子鐘、類地行星探尋、生物成像等重要領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。