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成果創(chuàng)新點(diǎn) 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(jìn) 而完善的實(shí)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(dá)到 109，本項(xiàng)目可優(yōu)于 108， 從而達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)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(jìn)而完善的實(shí)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(dá)到 109，本項(xiàng)目可優(yōu)于 108，從而達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)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(shí)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(shí)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(xiàng)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(diǎn)，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(yùn)動/力傳遞問題，實(shí)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(qiáng)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(shí)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(jìn)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(qiáng)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(xiàng)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(qiáng)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(qiáng)”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(shí)現(xiàn)了基波和諧波信號同時與微腔模式共振。實(shí)驗(yàn)上獲得的二次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)0.049% W-1，相比傳統(tǒng)表面非線性光學(xué)，該效率增強(qiáng)了14個數(shù)量級。左圖：實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xiàng)研究發(fā)展的動態(tài)相位匹配機(jī)制具有普適性，可進(jìn)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(tuán)隊(duì)在微腔非線性光學(xué)研究取得重要進(jìn)展：首次實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(diǎn)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(jī)共軛分子；右圖：實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jī)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(qiáng)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(jī)分子形成連結(jié)；有機(jī)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(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)通過采用兩步反應(yīng)法，實(shí)現(xiàn)了二氧化硅微腔表面均勻地修飾有機(jī)分子層，既有效增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(bǔ)償非線性頻率轉(zhuǎn)換過程中本征的相位失配，實(shí)現(xiàn)泵浦光和諧波頻率與熱腔模頻率的共振匹配，最終實(shí)驗(yàn)上觀測到三次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(jìn)一步地在實(shí)驗(yàn)上揭示了三次諧波的增強(qiáng)來自表面修飾的有機(jī)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(dá)到50倍，這是由于有機(jī)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(tuán)隊(duì)”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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(jìn)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(qiáng)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(xiàng)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(qiáng)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(qiáng)”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(shí)現(xiàn)了基波和諧波信號同時與微腔模式共振。實(shí)驗(yàn)上獲得的二次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)0.049% W-1，相比傳統(tǒng)表面非線性光學(xué)，該效率增強(qiáng)了14個數(shù)量級。左圖：實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xiàng)研究發(fā)展的動態(tài)相位匹配機(jī)制具有普適性，可進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)局域效應(yīng)，可極大地增強(qiáng)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(dá)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(jìn)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(dá)、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(jìn)一步應(yīng)用。