南加州大学沈晓钦博士采用有机非线性分子表面修饰光学微腔，实现高效率光学频率梳制备
高品质回音壁模光学微腔，是一种表面极其光滑的一种圆形光学谐振腔，其品质因子（Q: quality factor）通常在10的7次方以上。由于光的全反射作用，当光子被耦合进入微腔后，在光子波长与微腔周长成整数倍关系时，光子可在微腔内长时间循环传播，长达数纳秒的时间。因此，当一束较低功率的激光被耦合进微腔后，微腔内部的循环光场强度可被累积放大，可高到10万倍以上。自从加州理工大学Kerry Vahala组在2002年首次制备出可在硅片上集成的超高Q值二氧化硅微腔后，高Q值微腔研究逐渐进入一个蓬勃发展的阶段。高Q值微腔在理论量子物理、非线性光学、天文频谱标定、及高精度生物监测等多个领域，都具有重要的理论研究价值和应用前景。
然而，受到材料性质和制备工艺的限制，可制备为的高Q值光学微腔的材料非常的有限，严重限制了微腔光学研究和应用的进一步扩展。例如：最常见的二氧化硅光学微腔，由于二氧化硅本身的各种光学增益系数非常小，导致器件的大多非线性光学频率输出的效率较低，所需泵浦功率阀值较高，从而限制了其在非线性光学等方面实际应用的前景。尽管如此，由于高Q值微腔对器件的表面光滑度和材料的光学损耗特性的要求极高，以及光学物理与材料化学间不同学科的障碍，新型非线性高Q值微腔的开发和研究进展非常缓慢。
最近，在南加州大学Andrea Armani组做博士后研究的沈晓钦博士，从器件表面工程的角度，首次提出用有机光学单分子层功能化修饰二氧化硅微腔，制备出了同时具备超高Q值和极大的表面单分子层增益的新型光学微腔。基于对有机非线性材料和微腔非线性光学的深刻理解，沈博士提出一个评价微腔的光参量振荡（optical parametric oscillation）特性的Figure-of-Merit参数表达式。并以此为依据，设计并制备出了一种新型表面单分子层修饰的高Q值光学微腔。研究表明，通过光纤耦合技术，在CW激光泵浦下该新型光学微腔的光参量振荡频率输出，是传统无修饰微腔的10的三次方倍，实现了有效的光学频率梳（optical frequency comb）制备。沈晓钦博士以第一作者兼共通讯作者的身份，在Science Advances上发表了该研究成果（Science Advances 4 (1), eaao4507）。该结果发表后，迅速在Phys.org上被作为研究亮点报道。
图一：（A)表面有机分子功能化的光学微腔及光学频率梳制备示意图。(B,C)微腔的光模截面图。
图二：（A)新型微腔器件中产生的光学频率梳输出谱。（B)频率梳中首个相干光子对的输出功率与泵浦输入功率的关系图。新型器件中光频梳的最大输出功率为传统器件的10的3次方倍。
非线性光学研究通常需要高功率的脉冲光源。传统有机和高分子非线性光学的研究，大多局限于利用超快脉冲激光来研究溶液或薄膜体系中有机分子的非线性光学性质。这使得有机非线性材料在前沿非线性光学领域的研究和应用非常受限。沈博士认为，从这个角度讲，其研究成果表明，采用CW光纤耦合技术的高品质微腔可为有机和高分子非线性光学领域研究提供一个新的器件平台。该研究成果对有机非线性光学领域的研究具有重要的指导意义，为有机非线性材料向微型器件化发展提供了一个重要的参考模型。
小知识：光学频率梳，是由一组十分精密的、半峰宽非常小的、及等频率（波长）间距的相干光子组成的光子束。各光子的频率（波长）排列在一起形如梳子，故称为光学频率梳。基于光学Kerr效应的四波混频（four-wave-mixing)非线性过程，是制备光学频率梳的主要机理。光频梳在高精度光谱、天文频谱标定、光量子对操纵、及全光超快调控、及光子钟等前沿领域方面具有重要的研究和应用价值，也是目前光学物理与光学器件工程领域重要的研究热点之一。
论文链接：
http://advances.sciencemag.org/content/4/1/eaao4507
个人主页：
http://www-scf.usc.edu/~xiaoqins/index.html
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