天壇的回音壁之所以能令語聲傳送百米仍辯字清晰、氣韻悠長，是因為其特別的弧度將聲波匯聚在彎曲墻壁內(nèi)側(cè)進行傳播。

那有沒有一面彎曲的“墻壁”可以匯聚光波，得到更高的能量？

北京大學(xué)肖云峰教授和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊就利用超高品質(zhì)因子回音壁光學(xué)微腔，得到了“合二為一”的光波，相比此前的方法合成效率提升了14個數(shù)量級。

這種增強后的光學(xué)信號可以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、化學(xué)性質(zhì)。

由中科院上海光學(xué)精密機械研究所和中國光學(xué)學(xué)會主辦的中國激光雜志社近日發(fā)布2019年度中國光學(xué)十大進展，上述“微腔表面對稱性破缺誘導(dǎo)非線性光學(xué)”作為基礎(chǔ)研究類成果入選。

澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者邀請微腔非線性光學(xué)專家、南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院副院長薄方教授解讀該成果。薄方介紹道，回音壁光學(xué)微腔（例如球形微腔）的基本原理是光波在材料表面處發(fā)生全反射，使得光波能夠沿內(nèi)表面持續(xù)傳輸。這個過程與天壇回音壁傳聲類似。

“它最顯著的特點是可以長時間的把光限制在腔體里面，從而實現(xiàn)很強的能量積累，這也就是超高品質(zhì)因子的含義。”他說道。

光子二合一

北京大學(xué)團隊的這項研究成果，從專業(yè)角度上講是增強了“二階非線性光學(xué)效應(yīng)”。

什么是非線性光學(xué)？線性光學(xué)的特點是不改變光的頻率。由于光的能量與頻率呈正比，不改變頻率，能量也就不會發(fā)生改變。

反之即可推出，非線性光學(xué)可能會發(fā)生能量變化。其中，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，被廣泛地用于實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)調(diào)制和量子光源等。

我們可以通俗地理解，二階非線性光學(xué)效應(yīng)是把兩個頻率為“1”的光子，合并成了一個頻率為“2”的光子，單光子的能量翻倍。

雖然聽起來很美好，但這樣的方案實現(xiàn)起來是很難的。直到人類制造出了強激光，借助特殊的材料表面或界面，非線性光學(xué)效應(yīng)研究才成為可能。

“表面非線性光學(xué)效應(yīng)通常與材料表面的性質(zhì)息息相關(guān)，是研究表面物理與表面成分檢測的利器，”薄方說道。“相關(guān)研究已經(jīng)有近40年的歷史，但是長期以來的挑戰(zhàn)是轉(zhuǎn)換效率極低。”

即使在高強度的脈沖光激發(fā)下，我們也只能得到極少數(shù)的二階非線性光子。

“針尖對針尖”

北京大學(xué)團隊想到了回音壁光學(xué)微腔這一工具。它已經(jīng)在增強光與物質(zhì)相互作用中大展身手，可以在弱光輸入下產(chǎn)生顯著的非線性光學(xué)效應(yīng)。

不過，要用好這一工具也不容易。只有在一個很窄的波長范圍內(nèi)，激發(fā)光（即一開始的光波）與諧波（即“合成”的光波）都與微腔模式共振，它們才能在回音壁微腔中發(fā)生顯著的相互作用。

薄方介紹，北京大學(xué)團隊在研究過程中遇到的最大挑戰(zhàn)是由于激光和微腔模式的線寬均極窄，實驗上很難使得激發(fā)光和諧波光信號同時與對應(yīng)的微腔模式發(fā)生共振。

“通俗地講，不但需要激發(fā)光與微腔模式‘針尖對準(zhǔn)針尖’，而且諧波光與另一微腔模式也應(yīng)該‘針尖對準(zhǔn)針尖’。”薄方說到。

為此，北京大學(xué)研究團隊提出動態(tài)相位匹配的原理，通過熱效應(yīng)補償材料色散，比較圓滿的解決了這個問題。

高靈敏“探針”

最終，實驗上獲得的二次諧波轉(zhuǎn)換效率高達0.049% /W，相比傳統(tǒng)表面非線性光學(xué)的結(jié)果增強了14個數(shù)量級。

此外，研究團隊通過進一步對基波偏振和二次諧波模式場分布的測量分析，成功排除了體相電四極響應(yīng)的干擾，提取得到只有表面對稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號。

薄方介紹道，這種信號被“回音壁”大大增強，可以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、化學(xué)性質(zhì)，為表面科學(xué)的研究和應(yīng)用提供了一個全新的物理平臺。

研究過程中發(fā)展的動態(tài)相位匹配機制具有普適性，可進一步推廣到不同材料、不同形狀的光學(xué)諧振腔中，并可能在非線性集成光子學(xué)中發(fā)揮重要作用。

作為后續(xù)，研究團隊將一方面引入其它材料對微腔表面進行修飾，調(diào)控微腔表面的非線性光學(xué)行為；另一方面，利用這種“探針”對微腔周圍的物質(zhì)分子做無標(biāo)記探測以及特異性識別。