近期，国际物理学权威期刊Physical Review Letters以“High-Q exterior whispering-gallery modes in a double-layer crystalline microdisk resonator”为题发表了上海交通大学物理与天文学院及其合作单位在光学微腔研究领域的最新成果。该成果由陈险峰教授、郑远林助理研究员研究组与华东师范大学程亚教授课题组合作完成。他们通过理论模拟和实验印证了双层铌酸锂薄膜回音壁微腔中一种高品质的外部回音壁模式。该论文已于6月28日在线刊发。
回音壁模式光学微腔具有很高的品质因子和很小的模式体积，因而在光学探测、非线性光学、腔光力学以及量子光学等诸多方面有重要应用，是当前光物理研究的一个前沿和热门领域。传统回音壁模式通过全内反射将光局域在光腔内部，只有很少一部分光场以倏逝波形式泄露在外。其光与物质相互作用多局限于光与微腔本身介质之间，从而限制了它们在其它某些重要领域中的应用。因此，人们也一直在寻求将光场局域在腔外的新方法，以增强光学模式的环境探测灵敏度及其与外界相互作用的程度。通过表面等离子共振的方法可以把光学模式局域在微腔外面，但等离子共振的本征金属损耗大且不可避免，用这种方法实现的模式品质因子较低。另一方法是利用狭缝波导结构，这是由于光场经过狭缝区域时电位移矢量连续而电场强度矢量不连续，使得电场强度主要集中在狭缝中。通过垂直狭缝波导模式将大部分光场能量局域在低折射率的狭缝区域，可实现灵敏的气体检测、纳米颗粒探测和操控。但是垂直狭缝微腔的制备工艺困难，相应的散射损耗也比较难抑制，这是回音壁微腔中的狭缝模式品质因子受限的主要原因。而且狭缝的制备一般只能利用纳米级高精度加工工艺实现，且对基底材料也有所限制。
图：（左侧）双层铌酸锂薄膜微腔结构示意图及扫描电子显微镜图；（右侧）双层微腔同时支持腔内模式和腔外狭缝模式.
为此，双方研究组通过强强联合深度合作率先制备出一种新型的双层铌酸锂薄膜微盘微腔，其上下两层铌酸锂薄膜中间仅留100多纳米高的狭缝。他们通过飞秒激光以及聚焦离子束加工的方法在特定的双层铌酸锂薄膜上制备出微盘结构，再加以湿法刻蚀将中间二氧化硅缓冲层腐蚀掉。从而在制备出双层铌酸锂薄膜微腔的同时，在上下晶体层中间形成一个很窄的水平纳米级狭缝。经过长期技术积累和制备工艺突破，目前铌酸锂微盘腔的品质因子已达到100,000以上。其表面平整度优于1纳米（0.5 nm rms），这通过原子力显微镜表面形貌分析也得到了印证。基于水平狭缝结构，他们在理论上看到，这种双层腔可支持狭缝回音壁光学模式，并且光场在狭缝中将得到增强。所得到的外部狭缝回音壁模式既具有高品质因子，又具有很强的光局域性。在实验上他们发现这种新型狭缝回音壁模式已经达到了与腔内模式相当的品质因子，这说明所制样品中水平狭缝的上下表面非常光滑。这种在晶体狭缝中的光场模式性能优于其它同类结构。其狭缝回音壁模式同时受到了微腔共振和狭缝结构的双重增强效果，而以往的同类工作中由于品质因子有限往往这种双重增强的效果不明显。
研究团队还在文中展望，由于所用材料铌酸锂晶体具有高透明、非线性、电光、压电等多功能特性，同时晶体的杨氏模量更大，表面平整且吸收小，这种新型双层晶体微腔将在片上电光调制、频率变换、电场感应等方面大展身手。并且由于狭缝模式光场强度在界面处突变，光场梯度力更也大，这项工作也为研究微腔光学提供了一个新颖的平台和手段，在此基础上未来可望在腔光力学、非线性光学和光学检测方面得到更大的进展。另外，光学微腔作为组成光子芯片的基本单元之一，这里提出的高品质铌酸锂薄膜微腔也将为其在腔量子电动力学、量子光学、量子信息等方向上的应用打下基础。
本研究是一项合作分工完成的工作。华东师范大学程亚教授、方致伟副教授负责样品的制备，上海交通大学陈险峰教授、郑远林助理研究员和刘时杰博士负责理论分析和光学实验，双方共同对研究结果进行了分析和讨论，论文第一作者为郑远林助理研究员。研究工作得到了国家重点研究计划项目(项目编号No. 2018YFA0306301, 2017YFA0303701)，自然基金支持(NSFC) (项目编号No. 11604206, 11734011, 61590934) 和上海市科学技术研究项目(项目编号 No. 17JC1400400)的资助。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.253902
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