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  高品質(zhì)回音壁模光學(xué)微腔，是一種表面極其光滑的一種圓形光學(xué)諧振腔，其品質(zhì)因子（Q: quality factor）通常在10的7次方以上。由于光的全反射作用，當(dāng)光子被耦合進(jìn)入微腔后，在光子波長與微腔周長成整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，光子可在微腔內(nèi)長時(shí)間循環(huán)傳播，長達(dá)數(shù)納秒的時(shí)間。因此，當(dāng)一束較低功率的激光被耦合進(jìn)微腔后，微腔內(nèi)部的循環(huán)光場強(qiáng)度可被累積放大，可高到10萬倍以上。自從加州理工大學(xué)Kerry Vahala組在2002年首次制備出可在硅片上集成的超高Q值二氧化硅微腔后，高Q值微腔研究逐漸進(jìn)入一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段。高Q值微腔在理論量子物理、非線性光學(xué)、天文頻譜標(biāo)定、及高精度生物監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，都具有重要的理論研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

  然而，受到材料性質(zhì)和制備工藝的限制，可制備為的高Q值光學(xué)微腔的材料非常的有限，嚴(yán)重限制了微腔光學(xué)研究和應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)展。例如：最常見的二氧化硅光學(xué)微腔，由于二氧化硅本身的各種光學(xué)增益系數(shù)非常小，導(dǎo)致器件的大多非線性光學(xué)頻率輸出的效率較低，所需泵浦功率閥值較高，從而限制了其在非線性光學(xué)等方面實(shí)際應(yīng)用的前景。盡管如此，由于高Q值微腔對(duì)器件的表面光滑度和材料的光學(xué)損耗特性的要求極高，以及光學(xué)物理與材料化學(xué)間不同學(xué)科的障礙，新型非線性高Q值微腔的開發(fā)和研究進(jìn)展非常緩慢。

  最近，在南加州大學(xué)Andrea Armani組做博士后研究的沈曉欽博士，從器件表面工程的角度，首次提出用有機(jī)光學(xué)單分子層功能化修飾二氧化硅微腔，制備出了同時(shí)具備超高Q值和極大的表面單分子層增益的新型光學(xué)微腔。基于對(duì)有機(jī)非線性材料和微腔非線性光學(xué)的深刻理解，沈博士提出一個(gè)評(píng)價(jià)微腔的光參量振蕩（optical parametric oscillation）特性的Figure-of-Merit參數(shù)表達(dá)式。并以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)并制備出了一種新型表面單分子層修飾的高Q值光學(xué)微腔。研究表明，通過光纖耦合技術(shù)，在CW激光泵浦下該新型光學(xué)微腔的光參量振蕩頻率輸出，是傳統(tǒng)無修飾微腔的10的三次方倍，實(shí)現(xiàn)了有效的光學(xué)頻率梳（optical frequency comb）制備。沈曉欽博士以第一作者兼共通訊作者的身份，在Science Advances上發(fā)表了該研究成果（Science Advances 4 (1), eaao4507）。該結(jié)果發(fā)表后，迅速在Phys.org上被作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。

圖一：（A)表面有機(jī)分子功能化的光學(xué)微腔及光學(xué)頻率梳制備示意圖。(B,C)微腔的光模截面圖。

圖二：（A)新型微腔器件中產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳輸出譜。（B)頻率梳中首個(gè)相干光子對(duì)的輸出功率與泵浦輸入功率的關(guān)系圖。新型器件中光頻梳的最大輸出功率為傳統(tǒng)器件的10的3次方倍。

  非線性光學(xué)研究通常需要高功率的脈沖光源。傳統(tǒng)有機(jī)和高分子非線性光學(xué)的研究，大多局限于利用超快脈沖激光來研究溶液或薄膜體系中有機(jī)分子的非線性光學(xué)性質(zhì)。這使得有機(jī)非線性材料在前沿非線性光學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用非常受限。沈博士認(rèn)為，從這個(gè)角度講，其研究成果表明，采用CW光纖耦合技術(shù)的高品質(zhì)微腔可為有機(jī)和高分子非線性光學(xué)領(lǐng)域研究提供一個(gè)新的器件平臺(tái)。該研究成果對(duì)有機(jī)非線性光學(xué)領(lǐng)域的研究具有重要的指導(dǎo)意義，為有機(jī)非線性材料向微型器件化發(fā)展提供了一個(gè)重要的參考模型。

  小知識(shí)：光學(xué)頻率梳，是由一組十分精密的、半峰寬非常小的、及等頻率（波長）間距的相干光子組成的光子束。各光子的頻率（波長）排列在一起形如梳子，故稱為光學(xué)頻率梳�；诠鈱W(xué)Kerr效應(yīng)的四波混頻（four-wave-mixing)非線性過程，是制備光學(xué)頻率梳的主要機(jī)理。光頻梳在高精度光譜、天文頻譜標(biāo)定、光量子對(duì)操縱、及全光超快調(diào)控、及光子鐘等前沿領(lǐng)域方面具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值，也是目前光學(xué)物理與光學(xué)器件工程領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)之一。

  論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/1/eaao4507

  個(gè)人主頁：http://www-scf.usc.edu/~xiaoqins/index.html