天壇的回音壁之所以能令語(yǔ)聲傳送百米仍辯字清晰、氣韻悠長(zhǎng)，是因?yàn)槠涮貏e的弧度將聲波匯聚在彎曲墻壁內(nèi)側(cè)進(jìn)行傳播。

那有沒(méi)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(tuán)隊(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。

這種增強(qiáng)后的光學(xué)信號(hào)可以作為一種超高靈敏度的無(wú)標(biāo)記“探針”，用來(lái)檢測(cè)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(jī)械研究所和中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主辦的中國(guó)激光雜志社近日發(fā)布2019年度中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展，上述“微腔表面對(duì)稱(chēng)性破缺誘導(dǎo)非線(xiàn)性光學(xué)”作為基礎(chǔ)研究類(lèi)成果入選。

澎湃新聞（www.xinlihui.cn）記者邀請(qǐng)微腔非線(xiàn)性光學(xué)專(zhuān)家、南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)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(gè)過(guò)程與天壇回音壁傳聲類(lèi)似。

“它最顯著的特點(diǎn)是可以長(zhǎng)時(shí)間的把光限制在腔體里面，從而實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的能量積累，這也就是超高品質(zhì)因子的含義?！彼f(shuō)道。

光子二合一

北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果，從專(zhuān)業(yè)角度上講是增強(qiáng)了“二階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)”。

什么是非線(xiàn)性光學(xué)？線(xiàn)性光學(xué)的特點(diǎn)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(huì)發(fā)生改變。

反之即可推出，非線(xiàn)性光學(xué)可能會(huì)發(fā)生能量變化。其中，二階非線(xiàn)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(xiàn)性光學(xué)過(guò)程之一，被廣泛地用于實(shí)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(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)是把兩個(gè)頻率為“1”的光子，合并成了一個(gè)頻率為“2”的光子，單光子的能量翻倍。

雖然聽(tīng)起來(lái)很美好，但這樣的方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)是很難的。直到人類(lèi)制造出了強(qiáng)激光，借助特殊的材料表面或界面，非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)研究才成為可能。

“表面非線(xiàn)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(cè)的利器，”薄方說(shuō)道?！跋嚓P(guān)研究已經(jīng)有近40年的歷史，但是長(zhǎng)期以來(lái)的挑戰(zhàn)是轉(zhuǎn)換效率極低。”

即使在高強(qiáng)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(xiàn)性光子。

“針尖對(duì)針尖”

北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)想到了回音壁光學(xué)微腔這一工具。它已經(jīng)在增強(qiáng)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(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)。

不過(guò)，要用好這一工具也不容易。只有在一個(gè)很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，激發(fā)光（即一開(kāi)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(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程中遇到的最大挑戰(zhàn)是由于激光和微腔模式的線(xiàn)寬均極窄，實(shí)驗(yàn)上很難使得激發(fā)光和諧波光信號(hào)同時(shí)與對(duì)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(duì)準(zhǔn)針尖’，而且諧波光與另一微腔模式也應(yīng)該‘針尖對(duì)準(zhǔn)針尖’?！北》秸f(shuō)到。

為此，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出動(dòng)態(tài)相位匹配的原理，通過(guò)熱效應(yīng)補(bǔ)償材料色散，比較圓滿(mǎn)的解決了這個(gè)問(wèn)題。

高靈敏“探針”

最終，實(shí)驗(yàn)上獲得的二次諧波轉(zhuǎn)換效率高達(dá)0.049% /W，相比傳統(tǒng)表面非線(xiàn)性光學(xué)的結(jié)果增強(qiáng)了14個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)一步對(duì)基波偏振和二次諧波模式場(chǎng)分布的測(cè)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(duì)稱(chēng)性破缺誘導(dǎo)的非線(xiàn)性信號(hào)。

薄方介紹道，這種信號(hào)被“回音壁”大大增強(qiáng)，可以作為一種超高靈敏度的無(wú)標(biāo)記“探針”，用來(lái)檢測(cè)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(gè)全新的物理平臺(tái)。

研究過(guò)程中發(fā)展的動(dòng)態(tài)相位匹配機(jī)制具有普適性，可進(jìn)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(xiàn)性集成光子學(xué)中發(fā)揮重要作用。

作為后續(xù)，研究團(tuán)隊(duì)將一方面引入其它材料對(duì)微腔表面進(jìn)行修飾，調(diào)控微腔表面的非線(xiàn)性光學(xué)行為；另一方面，利用這種“探針”對(duì)微腔周?chē)奈镔|(zhì)分子做無(wú)標(biāo)記探測(cè)以及特異性識(shí)別。