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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(lái)，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(tái)，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)獲得了包括宇稱-時(shí)間反演對(duì)稱激光、軌道角動(dòng)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(duì)稱性導(dǎo)致腔中激光場(chǎng)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)?。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(xué)諧振腔的幾何手征對(duì)稱性。這種方法得到的激光方向性是固定的，難以動(dòng)態(tài)調(diào)控其出射性質(zhì)，且對(duì)諧振腔的形狀設(shè)計(jì)和工藝制備要求較高。

自發(fā)對(duì)稱性破缺是指物理系統(tǒng)保持原本的對(duì)稱性，而其卻選擇了另一種不具備對(duì)稱性的狀態(tài)，它是很多相變過(guò)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(jī)制均是自發(fā)對(duì)稱性破缺的著名例子?；匾舯谀Ｊ焦鈱W(xué)微腔由于其固有的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，可以支持一對(duì)簡(jiǎn)并的沿順時(shí)針和逆時(shí)針傳播的行波模式；同時(shí)，它具有超高的品質(zhì)因子和很小的模式體積，可以極大地增強(qiáng)光和物質(zhì)的相互作用，是研究對(duì)稱性物理和非線性光學(xué)的理想平臺(tái)。研究團(tuán)隊(duì)利用光學(xué)克爾效應(yīng)，使微腔中相向傳播、相等強(qiáng)度的行波光場(chǎng)之間發(fā)生交叉相位調(diào)制，從而產(chǎn)生了非線性耦合。因此，通過(guò)控制輸入光強(qiáng)可以將這對(duì)行波場(chǎng)之間的等效耦合強(qiáng)度調(diào)制為零，使得系統(tǒng)中原本的對(duì)稱狀態(tài)不再穩(wěn)定，自發(fā)地分裂為兩個(gè)非對(duì)稱的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)的自發(fā)對(duì)稱性破缺。采用具有相同強(qiáng)度和偏振的雙向輸入光，來(lái)激發(fā)芯片上圓形微腔中的超高品質(zhì)因子回音壁模式。當(dāng)輸入光功率很小時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)保持原本的對(duì)稱性，表現(xiàn)為順時(shí)針和逆時(shí)針行波場(chǎng)的強(qiáng)度相等；隨著輸入光功率的增強(qiáng)，由交叉克爾效應(yīng)引起的非線性耦合強(qiáng)度隨之變大，當(dāng)功率達(dá)到一定閾值（百微瓦量級(jí)）之后，系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)地進(jìn)入一個(gè)順時(shí)針傾向或逆時(shí)針傾向的狀態(tài)，表現(xiàn)為自發(fā)對(duì)稱性破缺。實(shí)驗(yàn)上，每個(gè)破缺狀態(tài)中行波強(qiáng)度之比超過(guò)了20:1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與嚴(yán)格理論解析結(jié)果吻合。

二階非線性光學(xué)效應(yīng)是現(xiàn)代光學(xué)研究與應(yīng)用中最重要的非線性光學(xué)過(guò)程之一。由于結(jié)構(gòu)反演對(duì)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(duì)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)的表非線性光學(xué)效應(yīng)轉(zhuǎn)換效率極低，且體相電四極響應(yīng)嚴(yán)重地干擾表面對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號(hào)分析。在本項(xiàng)研究工作中，課題組人員利用超高品質(zhì)因子回音壁光學(xué)微腔在實(shí)驗(yàn)上獲得了高亮度的二次諧波和二次和頻信號(hào)。研究人員發(fā)展了一種動(dòng)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(hào)同時(shí)與微腔模式共振，實(shí)驗(yàn)上獲得的二次諧波轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)表面非線性光學(xué)增強(qiáng)了14個(gè)數(shù)量級(jí)。研究人員進(jìn)一步通過(guò)對(duì)基波偏振和二次諧波模式場(chǎng)分布的測(cè)量分析，成功提取得到只有表面對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號(hào)，排除了體相電四極響應(yīng)的干擾。

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(cè)方面，分別提出了先進(jìn) 而完善的實(shí)施方案，并申請(qǐng)了相關(guān)發(fā)明專利。現(xiàn)有晶體微 腔 Q 值國(guó)內(nèi)最高水平 106，國(guó)外達(dá)到 109，本項(xiàng)目可優(yōu)于 108， 從而達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)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(cè)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(cè)方面，分別提出了先進(jìn)而完善的實(shí)施方案，并申請(qǐng)了相關(guān)發(fā)明專利?，F(xiàn)有晶體微腔 Q 值國(guó)內(nèi)最高水平 106，國(guó)外達(dá)到 109，本項(xiàng)目可優(yōu)于 108，從而達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)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(cè)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(gè)量級(jí)，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(duì)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(jì)出更靈（更靈活的腕部）、更?。ㄖ睆叫∮?0mm）、更巧（自動(dòng)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(dòng)/力傳遞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了面向復(fù)雜操作的器械功能末端設(shè)計(jì)。

可以用來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化光學(xué)諧振腔。不僅可以模擬諧振腔特性，而且軟件可以計(jì)算熱透鏡效應(yīng)、失調(diào)、色散、Gouy 相移、簡(jiǎn)并度等對(duì)光束半徑和光腔模式的影響。軟件同時(shí)可以用于設(shè)計(jì)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(yīng)和失調(diào)、最小畸變的光束質(zhì)量等。 ABCDEF矩陣算法： RP Resonator 的計(jì)算是基于一個(gè)擴(kuò)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(jìn)行模式半徑的計(jì)算，也能計(jì)算由于腔鏡失調(diào)所造成的光束位置改變。 另外，它也可以處理與波長(zhǎng)相關(guān)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(bǔ)償是通過(guò)一個(gè)棱鏡來(lái)完成。該軟件可以計(jì)算不同波長(zhǎng)的光程和由此而產(chǎn)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(dāng)作單程傳播來(lái)處理。對(duì)于環(huán)形腔，光束的路徑可以自動(dòng)閉合，也就是說(shuō)，第一個(gè)和最后一個(gè)鏡子的取向及它們之間的路徑長(zhǎng)度可以自動(dòng)計(jì)算。由此產(chǎn)生的設(shè)置可以圖形化地顯示，以立即識(shí)別可能的錯(cuò)誤輸入。 具體功能與應(yīng)用： ——分析已有的諧振腔設(shè)計(jì)，如檢查其穩(wěn)定區(qū)域、準(zhǔn)直特性、色散效應(yīng)等。 ——使復(fù)雜的諧振腔設(shè)計(jì)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(duì)諧振腔的理解。如通過(guò)數(shù)值模擬演示各種參數(shù)。 ——軟件帶有非常強(qiáng)大的腳本語(yǔ)言并伴隨有腳本向?qū)Чδ?，很容易的通過(guò)填表格的形式（簡(jiǎn)單的輸入數(shù)字或數(shù)學(xué)公式）生成大段的腳本代碼。 ——腳本語(yǔ)言的強(qiáng)大意味著更豐富的靈活性。例如，用戶可以定義含有多個(gè)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(shù)化。這意味著用戶可以使用數(shù)學(xué)表達(dá)式定義，而不是僅僅只能定義簡(jiǎn)單的參數(shù)如腔長(zhǎng)、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(yǔ)言相結(jié)合，用戶開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)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(jī)構(gòu): ——開(kāi)發(fā)激光器、參量振蕩器，或包含無(wú)源光學(xué)諧振腔的器件的工業(yè)公司 ——詳細(xì)具體研究這些設(shè)備各個(gè)方面功能原理的研究實(shí)驗(yàn)室 ——教導(dǎo)人們對(duì)此類設(shè)備形成牢固技術(shù)理解的教育機(jī)構(gòu)     在任何情況下，RP Resonator 都將為您提供實(shí)質(zhì)性的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟墓ぷ鲗⒏佑行Ш透咝В耗鷮⒛軌蚩焖倏煽康闹乐C振腔的功能特性以及改進(jìn)它們的方式。

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(guò)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(duì)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(duì)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(gè)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(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號(hào)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(shì)，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(hào)。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(dòng)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(hào)同時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。左圖：實(shí)驗(yàn)獲得的激發(fā)光和二次諧波光譜圖；右圖：動(dòng)態(tài)相位匹配過(guò)程二次諧波功率變化。 研究人員進(jìn)一步通過(guò)對(duì)基波偏振和二次諧波模式場(chǎng)分布的測(cè)量分析，成功提取得到只有表面對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號(hào)，排除了體相電四極響應(yīng)的干擾。這種表面對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號(hào)有望作為一種超高靈敏度的無(wú)標(biāo)記“探針”，用來(lái)檢測(cè)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(gè)全新的物理平臺(tái)；同時(shí)，該項(xiàng)研究發(fā)展的動(dòng)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(bào)道的二氧化硅微腔轉(zhuǎn)換效率提高了四個(gè)量級(jí)，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(píng)論快報(bào)》以封面及編輯推薦形式亮點(diǎn)報(bào)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(cè)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(guò)程之一，被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)光頻梳、全光開(kāi)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(chǎng)激發(fā)下，離域電子表現(xiàn)出很強(qiáng)的非諧振動(dòng)，從而具有很高的非線性響應(yīng)系數(shù)。同時(shí)，回音壁微腔的表面倏逝場(chǎng)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(guò)表面倏逝場(chǎng)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(guò)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(shí)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(dòng)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(guò)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(cè)到三次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1680%/W2，比之前報(bào)道的二氧化硅微腔的最高轉(zhuǎn)換效率提高了四個(gè)量級(jí)，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(lái)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(duì)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(dòng)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。

利用周期性共振光脈沖序列導(dǎo)致的自旋依賴布居數(shù)耗散、射頻場(chǎng)耦合下的自旋拉比振蕩、以及Feshbach共振調(diào)制下的相互作用控制，在一個(gè)量子系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了精密調(diào)控耗散、相干和相互作用三大要素，為實(shí)現(xiàn)宇稱-時(shí)間對(duì)稱的非厄米哈密頓量的量子模擬奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。       實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅精確地復(fù)現(xiàn)了在經(jīng)典系統(tǒng)中已經(jīng)觀測(cè)到的靜態(tài)哈密頓量的宇稱-時(shí)間對(duì)稱性破缺，還利用周期性耗散機(jī)制發(fā)現(xiàn)了在任意小耗散下的宇稱-時(shí)間對(duì)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(shù)相變，周期性耗散驅(qū)動(dòng)的宇稱-時(shí)間對(duì)稱性的相圖在頻率的參數(shù)空間實(shí)現(xiàn)延拓，在特定的頻率區(qū)間，宇稱-時(shí)間對(duì)稱性對(duì)于耗散有極其敏感的響應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象之前只有理論預(yù)言，而羅樂(lè)教授小組首次在絕對(duì)零度之上500納開(kāi)爾文的超冷費(fèi)米氣體中首次觀測(cè)到。同時(shí)這項(xiàng)工作還發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱性破缺點(diǎn)附近的慢衰變模式、類比于多光子躍遷的高階PT對(duì)稱性破缺等新穎有趣的物理現(xiàn)象。       目前，羅樂(lè)教授研究團(tuán)隊(duì)正基于非厄米量子體系研究宇稱-時(shí)間對(duì)稱哈密頓量的拓?fù)淞孔討B(tài)轉(zhuǎn)換、耗散下的量子相干態(tài)保持、以及高階奇異點(diǎn)附件的超靈敏能譜響應(yīng)。這些研究將為基于開(kāi)放量子系統(tǒng)的量子計(jì)算和量子精密測(cè)量開(kāi)拓新的前沿。