回音壁腔光机械系统中的动力学行为

研究了在控制和探测激光存在时回音壁腔光机械系统中的动力学行为,分析了系统中产生类似于原子电磁诱导透明与吸收的原因,论证了此系统的输出场在探测频率下存在类似于电磁诱导透明和电磁诱导吸收的现象,并证实了回音壁光机械腔系统与Λ原子系统中的泵浦探测响应特性相类似.此外,利用泵浦失谐控制光机械系统中类似于电磁诱导透明和电磁诱导吸收之间的转换,此系统中光机械诱导透明与吸收的论证为量子信息的处理提供了理论依据.

基于回音壁腔光力系统的光学三极管

回音壁腔系统由于其高品质因子、小的模体积、以及简单的制造工艺而在光子器件方面有着潜在的应用。本文基于耦合的回音壁腔光力系统,通过光学泵浦-探测方案提出一种全光学三极管器件。该系统中透射信号由控制光场的功率所操控,而且信号场的放大和消逝可以通过控制栅极场的功率来实现,该器件表现出单光子光学三极管的行为。回音壁腔光力系统将在芯片尺度上的量子信息处理器件上有着潜在的应用。

级联声光器件与回音壁模式微腔实现非对称传输

本文提出利用级联声光效应器和耦合回音壁模式微球腔的方案来实现非对称传输效果,并进行理论和实验验证.实验中利用加热拉锥的方式制备了两段式光纤,可同时实现声光效应的激发和回音壁模式的耦合.利用光纤中声光效应将纤芯基模中的矢量模式转换到包层高阶模式,由于基模中不同矢量模式转换包层模式的矢量模式也不同,从而产生类似双折射效果,使输出的包层模式产生偏振变化.而后通过耦合回音壁模式微腔将包层模式转换回纤芯基模.由于回音壁模式的偏振选择效果,使得相反方向入射光能量具有不同的透射特性,其传输隔离度可达17 d B.此外,对两个方向传输的透射率随偏振角度变化进行测试,测得声光效应带来的偏振变化约为80°.本文的非对称传输方案继承了声光器件响应迅速、调谐性良好的优势,同时具有全光纤结构和无工作阈值的特点,在光开关、光隔离器等场景具有重要的应用潜力.

基于回音壁模式微泡腔的流速传感应用

基于黏性流体的伯努利效应原理,利用回音壁模式微泡腔高品质因子与具有天然微流控通道的特性,提出一种基于回音壁模式微泡腔的流速传感器。理论分析了黏性流体流动时由于黏滞损耗引起的压强损失,仿真分析了不同流速范围内流动速度和压强之间的关系,发现二者之间表现出良好的线性依赖,沿程损耗是引起压强损失的主要因素;恒定流速下微腔内部为均匀的正压分布,会引起谐振波长红移。实验制备了壁厚约为2μm的微泡腔,并搭建流速传感实验测试系统。在3~106μL/min流速范围内,流速增加时,谐振波长发生红移,并且波长偏移与流速之间满足良好的线性关系,拟合得到流速传感灵敏度为0.047 pm/(μL/min),检测极限为0.635μL/min。该流速传感器结构简单、易于制备、低成本且检测极限较低。

基于回音壁微腔拉曼激光的纳米粒子探测

回音壁模式光学微腔由于其品质因子高、模式体积小等优点,近年来在非标记性的纳米粒子探测方面得到了广泛的重视,开展了大量的研究,取得了重要的进展.利用回音壁微腔的拉曼激光,通过测量纳米粒子造成的模式劈裂的拍频,可以实现不同环境下纳米粒子的实时探测.与传统的稀土离子掺杂法不同,这种方法采用腔的内禀增益,不仅提高了应用回音壁模式微腔进行纳米粒子探测的极限,而且避免了传统方法中稀土离子能级对泵浦光的限制,拓展了应用范围.这种方法还可以应用于其他材料的回音壁微腔,如硅基微环腔等,以及光子晶体结构、超材料等受损耗限制的系统中.本文简单介绍了回音壁模式光学微腔进行纳米粒子探测的基本原理以及最新研究进展.

超高Q值mm级晶体回音壁微腔加工

回音壁微腔具有超高Q值和极小的模式体积,在微波光子系统、非线性光学和量子光学等领域中具有广阔的应用前景。通过分析mm级氟化镁(MgF_(2))晶体回音壁微腔的损耗因素,确认了影响回音壁微腔品质因数的主要指标为材料等级和表面粗糙度。设计了mm级MgF_(2)晶体回音壁微腔的结构形式,使用DUV级MgF_(2)晶体,如果回音壁微腔表面粗糙度小于0.7 nm,则MgF_(2)晶体回音壁微腔的极限损耗理论计算值为4.781×10^(-11),对应的极限Q值为2.09×10^(10)。通过对MgF_(2)晶体回音壁微腔进行粗成型、精密车削、精密抛光,实现了高品质因数的微腔制造。测试结果表明,回音壁微腔的表面粗糙度Ra值为0.669 nm、微观形貌PV值为6.767 nm、品质因数为2.054×10^(9)@1550 nm。

基于回音壁微腔的可见光波段光频梳研究进展(特邀)

基于光学微腔的光频梳具有阈值低、光谱宽及结构紧凑等特点,在精密测量与传感等领域具有重要的应用前景,因此近年来微腔光频梳成为国际研究热点。目前相关的研究都聚焦于红外波段锁模光频梳的产生原理和应用探索,虽然可见光波段的光频梳在精密光谱、原子钟及生物医学等领域有特殊应用价值,但是可见光频梳的实现极具挑战性。文中在简要阐述光频梳产生原理的基础上,介绍了在可见光波段实现光频梳的主要挑战,以及目前三种实现方案的研究进展,包括利用材料的二阶与三阶非线性效应、调节微腔的几何色散和模式强耦合效应调控色散来产生可见光频梳。

香肠形回音壁微腔中机械振动的观测

研究了由辐射压力导致的香肠形回音壁微腔的机械振动现象.观测到的香肠腔光学模式的品质因子约为10^6,机械振动频率约为90 MHz,振动模式的品质因子约为4600.研究了输入光功率与香肠腔机械振动的关系.结果表明随着光功率的增加,观察到越来越多的高次谐波.

回音壁模式微腔灵敏度的进样流速影响研究

回音壁模式的光学微腔在生物探测、激光、以及腔量子学中已经得到了广泛的应用。从实验上验证了回音壁模式灵敏度与进样流速的关系,以及进样流速对光学模式形状的影响。研究表明,进样流速在30μl/min至50μl/min范围内时,微腔探测灵敏度较高,选择合适的进样流速可将微腔灵敏度提高2倍及以上;且该流速范围内的光学模式线宽较窄,波谷向下延伸。最后结合流体运动规律分析了进样流速造成灵敏度变化的影响因素。

与回音壁模式微腔耦合两氮空缺中心的纠缠动力学

量子纠缠在许多不同的系统已实现,本文提出了一个金刚石晶体中与回音壁模式(WGM)微腔耦合的两氮空缺(NV)中心之间产生纠缠的模型.通过求解对应的主方程,分析了两NV中心的纠缠Concurrence(C).结果显示,系统参数,如两NV中心与微腔之间的频率失谐量和共振模之间的耦合强度对纠缠的产生起到了积极的作用;在某种程度上,高纠缠可以在合适的时刻产生,因为这些系统参数可以在一定程度上补偿由腔泄露和NV中心自发辐射引起的损耗.同时,表明不同的初态能改变纠缠的最大值,但不能改变纠缠的曲线变化形式.

耦合回音壁模式微腔系统中高阶边带的产生与调控

光学高阶边带频谱包含一系列等间距的频率成分,在高精度光学测量和信息存储等方面具有重要作用。研究耦合回音壁模式微腔系统中的高阶边带产生效应,利用数值计算法求解非微扰机制下系统的海森堡-朗之万方程,并对其作快速傅里叶变换,研究了驱动光功率对系统输出频谱的影响。发现当提高驱动光的功率时,系统的输出高阶边带频谱有更多的频率成分。研究该系统中高阶边带产生的机理,并实现输出高阶边带的有效调控能够促进微腔光学系统的发展,且研究结果有助于在集成器件上产生光频梳,在精密测量等方向也有重要的应用前景。

回音壁激光的单模式调控方法研究进展

回音壁模式微腔因模式体积小、超高Q值和低阈值的优点得到了广泛的关注,但是在旋转对称的回音壁微腔中会产生多纵模激光辐射,并且辐射的方向性较差,在实际应用中受到限制,寻求有效方法实现回音壁激光的单模辐射是微腔激光器走向实际应用的关键问题。本综述重点阐述了近年来回音壁激光单模调控的几种方法,包括减小腔体尺寸、外加选模结构、基于游标效应、基于宇称时间对称性破缺、变形微腔等,并对单模回音壁激光的发展前景进行了展望。通过本综述以期为相关领域研究人员提供参考,深入理解回音壁激光单模调控的物理机理。

光学微腔磁传感器(特邀)

磁场传感在基础物理研究及生物医疗、航空航天、军事、工业等领域的应用方面都发挥着重要作用。在过去的几十年间,研究人员已发展出超导量子干涉器件磁力仪、光学原子磁力仪、金刚石氮空位色心磁传感器等诸多高灵敏度磁传感器。光学微腔由于其品质因子高,模式体积小,因此可显著增强传感的灵敏度,近年来被广泛应用于高灵敏磁传感器的研究。本文对这种新兴的光学微腔磁传感器进行了全面介绍。光学微腔磁传感器根据工作原理的不同,大致可分为磁致伸缩磁传感器、扭矩磁传感器和磁光效应磁传感器这三类。本文介绍了这三类微腔磁传感器的工作原理和发展现状,并总结了多种提升磁场探测灵敏度的手段,最后对微腔磁传感器的发展方向和应用前景进行了展望。

基于回音壁微腔的窄线宽激光研究进展

窄线宽激光凭借其极低的相位噪声,在量子技术、时频传输、高精度传感等前沿领域发挥着至关重要的作用。回音壁模式光学微腔,得益于其高品质因子、小模式体积和宽光学透明窗口的特性,能够极大地增强光与物质的相互作用,不仅在较宽的谱段范围内可以获得良好的激光线宽压窄效果,而且具有良好的可调谐特性,因此成为了窄线宽激光研究领域的热点。回顾了基于回音壁微腔的窄线宽激光研究进展,首先介绍了回音壁微腔及其热噪声理论基础和激光线宽评价原理,随后讨论了当前基于回音壁微腔产生窄线宽激光的主要方法,包括基于受激布里渊散射与受激拉曼散射效应的泵浦式窄线宽激光,以及基于自注入锁定与PDH锁定技术的锁定式窄线宽激光,梳理了它们的研究现状、关键技术特点以及性能指标。介绍了中国计量科学研究院在基于高品质因子晶体回音壁微腔窄线宽激光方面的研究进展,并对回音壁微腔窄线宽激光的发展进行了总结与展望。

基于辅助棱镜增强回音壁模式微腔光反馈自注入锁定方案

光反馈强度是微腔自注入锁定技术中实现激光线宽压窄的重要参数。设计了一种仅通过单个镀膜辅助棱镜实现晶体回音壁模式微腔(WGMR)内反馈光幅度增强的方案。实验结果显示,与腔体自身的瑞利散射相比,该方案获得的反馈光强提高了100倍以上。将该方案应用于微腔自注入锁定激光器后,激光瞬时线宽降低至~7 Hz,锁定宽度增大到8 GHz,相对强度噪声降低到-152 dBc/Hz@10 MHz。该设计结构紧凑、易操控,且能与晶体WGMR实现一体化集成,为自注入锁定技术中的反馈光强度控制提供了解决方案。

高品质因子氧化硅微腔的制备和光频梳产生(特邀)

基于超高品质因子(Q值)和非线性光学微腔产生的光学频率梳(微腔光频梳)在大容量光通信、光学数据中心、光子神经形态运算以及大规模并行激光雷达等方面有着重要的应用。回音壁模式(WGM)微腔是研究微腔光频梳技术的一个重要平台,具有创纪录的超高Q值和超高精细度(Finesse),能够实现超窄线宽激光、窄线宽光学频率梳,合成超低噪声的光子微波;同时也是研究腔内孤子动力学的重要平台,对掌握孤子态的光学频率梳特性起到了重要的支撑作用。利用二氧化碳(CO_(2))激光器熔融氧化硅(SiO_(2))石英棒制备了高Q值的WGM微腔。其自由光谱范围(FSR)在10 GHz以上,Q值达到了10^(8)。对腔的谐振和耦合理想特性进行了表征,并在开放环境下观察到微腔受潮引起的Q值退化现象,通过二次退火实现了Q值的回升。在SiO_(2)微腔中验证了基于非线性克尔(Kerr)效应的光学频率梳产生,其主要状态为调整不稳定性主导的低相干频率梳。同时,实验中也观察到了对应于全相干耗散孤子态频率梳的“阶跃”信号,表明目前制备的SiO_(2)微腔具备实现低噪声孤子光频梳的能力,并具有微腔光频梳的应用潜力。

回音壁模式光学微腔:基础与应用

具有回音壁模式的光学微腔在激光,生物探测以及量子物理中已经得到了广泛应用.本文简要介绍了其基本的性质和原理,以及回音壁模式与外界的耦合,并结合国际最新进展以及中国科学技术大学的研究工作,具体介绍了回音壁模式微腔在现代科学研究中的多种应用.

氧化锌纳米棒中自发辐射的回音壁模腔增强

应用气相传输法制备了氧化锌纳米线和具有六方对称截面的纳米棒,利用电子扫瞄显微镜,X-射线衍射仪等进行形貌与结构表征。室温下,用355nm激光脉冲,以260 W/cm2相同光强激励条件,分别测量其光致发光(PL)谱,在棒状样品中发现393nm有发光峰,而线状样品是在382nm处。二者相比,棒状样品的紫光波段自发辐射光强增加、频谱展宽、中心波长红移和绿光波段辐射被显著抑制。基于半导体材料的能带理论、激子复合发光理论和费米黄金定则等,对样品PL谱差异原因进行理论分析,结果表明上述现象源于棒状样品中回音壁模谐振腔(WGMRs)的自发辐射增加。利用强激励条件下样品光致发光谱,验证了实验结果与理论分析结果较好吻合。

回音壁模式光学微腔传感

回音壁模式光学微腔具有很高的品质因子和较小的模式体积,能极大地增强腔内光场与物质相互作用,已经成为超高灵敏光学传感的优异平台,也是国际学术前沿之一。文章简介了回音壁微腔传感研究现状与热点、微腔传感平台及传感机制原理;着重列举了微腔传感的部分典型应用,例如纳米尺度单个颗粒检测、温度传感、磁场传感、化学气体传感以及压力/应力等物理量传感等;最后对光学微腔传感的研究进行了展望。

稀土离子掺杂纳米晶复合玻璃回音壁模式微腔激光器的研究进展

回音壁模式微腔是一种高效的激光谐振腔,它可以将光囚禁在很小的微腔空间内,实现极高的光能量密度,使光与物质的相互作用得到显著增强。在众多材料中,稀土离子掺杂纳米晶复合玻璃兼具了晶体材料优异的光学性能和玻璃材料良好的机械加工性能,是一种理想的回音壁模式微腔激光器增益介质。目前,关于稀土离子掺杂纳米晶复合玻璃回音壁模式微腔激光器的报道并不多,仍处于起步阶段。本综述简述了回音壁模式微腔的基本原理及特征参数,分析归纳了现有稀土离子掺杂纳米晶复合玻璃回音壁模式微腔激光器的研究进展,并展望了其未来的发展方向。