2018-11-21 22:24:01
用于对称破坏引起的光学非线性的新装置

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二阶非线性光学过程在经典和量子应用中起着关键作用,从可接近频率的扩展到量子纠缠光子对和压缩态的产生。遗憾的是,这种非线性被位于集成光子学中心的材料中的反转对称性排除,例如二氧化硅,硅和氮化硅。

现在,北京大学肖云峰教授和龚启煌教授领导的研究小组与清华大学刘玉玺教授,新加坡国立大学邱成伟教授,新加坡教授,教授位于美国圣路易斯华盛顿大学的杨澜表明,二氧化硅回音壁模式(WGM)微腔表面的对称破坏引起了二次谐波产生(SHG)。这项工作已在线发表在Nature Photonics上。

SHG是一种基本的二阶非线性光学效应,是具有相同频率的两个光子与非线性材料相互作用并被组合以产生两倍频率的一个光子的过程。在具有反转对称性的材料中,由于电子经历的对称电位,SHG被禁止。然而,在这些材料的表面/界面处,电子在表面/界面的两侧看到不同的电位,自然地引起表面对称性破坏。因此,反转对称性破坏使得表面处的二阶非线性效应成为可能,从而打开了一个重要的门来表征在物理,化学,生物学和电子学中非常重要的表面/界面。

“不幸的是,在先前的研究中,表面固有对称性破坏的非线性通常非常微弱,并且只有50-fs脉冲产生数千个二次谐波(SH)光子,平均强度为500 GW / cm2,”曹说。北京大学研究生齐涛。

在这项工作中,物理学家使用超高Q WGM微腔来实现表面对称破坏引起的非线性的双共振增强。 WGM类似于伦敦圣保罗大教堂的低语画廊中的声学共振,来自画廊一侧的扬声器的声波在建筑物内循环,到达另一侧的听众。由于低传播损耗和低体积,超高Q WGM微腔,作为光学模拟,捕获可在腔内循环达数十万倍的光子,从而提升腔内功率相对于输入,达到五个数量级。

“超高Q对于提高SH功率是不可或缺的,而相应的超窄线宽对我们来说也是一个挑战,要确保输入光和二次谐波信号都与腔体模式共振,”张雪月说。 ,肖教授和清华大学本科生,曾任研究助理,现为加州理工学院研究生。 “在这里,我们采用热效应和光学克尔效应来动态实现这一目标。”

这些效应引起腔模的频移,并且有助于几乎同时动态地实现泵和SH谐振的稳定匹配,也称为相位匹配条件。结果,在小于1毫瓦的泵浦功率下实现二次谐波,这是在中心对称材料中报告的功率中最低的。相应的转换效率前所未有地高达0.049%W-1,比传统表面非线性光学中的非增强情况高14个数量级。

除了超高效率之外,表面非线性效应的明确识别也是一个关键特征,使得腔增强表面分析成为可能。在二氧化硅中,大量的多极效应可能会干扰表面性质的确定性研究,这在表面科学中一直是极具挑战性的。为了进一步确定非线性信号的起源,研究人员分析了泵极化和产生的二次谐波信号的空间分布特性。因此,他们仅通过表面对称破坏引起的非线性实验性地获得二次谐波并且消除了大量多极效应,而不是两种贡献的混合。

“这项实验实现了二氧化硅光子学中SHG效率的最高记录,”肖教授说。 “更重要的是,这项工作可能为微型谐振器的表面特异性检测和共振增强提供了机会。我们在这项工作中学到和开发的机制和方案,包括动态相位匹配方法,将成为各种应用,特别是在超灵敏表面分析中。“

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