邹长铃等:回音壁模式光学微腔:基础与应用 E 质相互作用,会导致谱线的移动或者Q值的动态变 i(O-)-k0-k1 化,这些都可以在谱线上动态观测到.在动态的测量 透射场 中,由于回音壁模式中光子的寿命很长,我们需要考 (0-o2)-K0+k1 虑腔场响应的延迟效应,在透过谱上面可以看到干 Ein (13)涉导致的振铃现象,通过对此透过谱线的拟合,我们 当入射激光与腔共振,即O=∞0时,归一化的光 可以得到和k1的具体值4 微球光纤锥耦合系统的耦合状况受两者间距的 纤锥的透过率 影响很大,在实际应用中需要保持耦合稳定.最近, T (14)中北大学的严英占等人提出用封装的方式提高耦合 系统的稳定性,并在实验上证明了其方法非常有 不难看出,对特定的微腔,腔内能量或者透过率效 仅由耦合强度与本征损耗的相对大小决定.我们可 另外,半导体研究所的黄永箴小组提出并证明 将耦合分成三个区域:欠耦合、过耦合和临界耦合.了将波导直接与回音壁模式微腔连接可以实现有效 若微腔与光纤锥的距离太远或者相位不匹配,定向输出32.Shu等人则在理论上分析这种垂直 k<k0时,系统处于欠耦合状态,大部分光纤锥中耦合方式,其无需相位匹配和非对称反射谱线的特 的光没有耦合进微球中,所以透过率较大.而当到点使这种新型耦合方式具有很大的实用价值 K>k0时系统进入过耦合状态,这时光纤锥造成的15变形回音壁模式微腔 损耗太大,微球中的光很容易又重新耦合到光纤锥 尽管近场耦合器件能够非常有效的激发和收集 之中,所以光纤锥的透过率较大而当光纤锥耦合进回音壁模式,但是耦合时需要比较精确的位置调节 入微球的效率和微球的固有衰减相等κ=K的时候和高稳定度,极大限制了回音壁模式的应用.此外, 光纤锥中所有的光全部耦合到微球中,透过率等于在某些实际应用中受到限制,例如腔QED实验需要 零,这个极值点被称为临界耦合 低温环境,而低温腔有限空间难以放置耦合器件.非 在实验上,我们通过测量光学模式的传输谱线圆对称的腔(变形腔)会使回音壁模式出现方向性发 来得到回音壁模式的性质.图4是微腔传输谱线,典射,可以通过这个机制实现与自由空间光束的直接 型的洛伦兹线型,与理论拟合曲线符合的很好.另外,耦合545y,这就避免了引入近场耦合器件.变形腔内 当腔内散射比较强时会导致模式劈裂并得到反射谱, 的光线动力学过程显示出混沌特性,也为量子混沌 以及多模情况下我们能观测到非对称的Fano线型和研究提供了绝佳的实验平台.近年来,这种非对称 电磁诱导透明(EIT)的现象,这些现象都可以由扩展微腔的方向性发射被广泛的研究5758,实验已经在 的多模耦合方程解释7.若回音壁模式与其他物各种边界形状的微腔中实现了高Q回音壁模式的方 E s08 04 △D=30MHz 100500 图4(网络版彩图)(a)光纤锥波导与微腔耦合的示意图,(b)典型的传输谱线图 圆点为实验数据,实线为洛伦兹线型拟合曲 Figure 4( Color online)(a) Schematic illustration of fiber-taper and microsphere coupling system;(b)a typical transmission spectrum, experi- mental results(circles)are fitted by Lorentz lineshape(solid line). 1160
邹长铃等: 回音壁模式光学微腔: 基础与应用 1160 1 in 0 1 2 . i( ) s c E E (12) 透射场 0 1 out in 0 1 i( ) . i( ) c c E E (13) 当入射激光与腔共振, 即 0 时, 归一化的光 纤锥的透过率: 2 0 1 0 1 . T (14) 不难看出, 对特定的微腔, 腔内能量或者透过率 仅由耦合强度与本征损耗的相对大小决定. 我们可 以将耦合分成三个区域: 欠耦合、过耦合和临界耦合. 若微腔与光纤锥的距离太远或者相位不匹配 , 1 0 时, 系统处于欠耦合状态, 大部分光纤锥中 的光没有耦合进微球中, 所以透过率较大. 而当到 1 0 时系统进入过耦合状态, 这时光纤锥造成的 损耗太大, 微球中的光很容易又重新耦合到光纤锥 之中, 所以光纤锥的透过率较大. 而当光纤锥耦合进 入微球的效率和微球的固有衰减相等 0 1 的时候 光纤锥中所有的光全部耦合到微球中, 透过率等于 零, 这个极值点被称为临界耦合. 在实验上, 我们通过测量光学模式的传输谱线 来得到回音壁模式的性质. 图 4 是微腔传输谱线, 典 型的洛伦兹线型, 与理论拟合曲线符合的很好. 另外, 当腔内散射比较强时会导致模式劈裂并得到反射谱, 以及多模情况下我们能观测到非对称的 Fano 线型和 电磁诱导透明(EIT)的现象, 这些现象都可以由扩展 的多模耦合方程解释[45–47]. 若回音壁模式与其他物 质相互作用, 会导致谱线的移动或者 Q 值的动态变 化, 这些都可以在谱线上动态观测到. 在动态的测量 中, 由于回音壁模式中光子的寿命很长, 我们需要考 虑腔场响应的延迟效应, 在透过谱上面可以看到干 涉导致的振铃现象, 通过对此透过谱线的拟合, 我们 可以得到0 和1 的具体值[48]. 微球光纤锥耦合系统的耦合状况受两者间距的 影响很大, 在实际应用中需要保持耦合稳定. 最近, 中北大学的严英占等人提出用封装的方式提高耦合 系统的稳定性, 并在实验上证明了其方法非常有 效[49,50]. 另外, 半导体研究所的黄永箴小组提出并证明 了将波导直接与回音壁模式微腔连接可以实现有效 定向输出[51,52]. Shu 等人[53]则在理论上分析这种垂直 耦合方式, 其无需相位匹配和非对称反射谱线的特 点使这种新型耦合方式具有很大的实用价值. 1.5 变形回音壁模式微腔 尽管近场耦合器件能够非常有效的激发和收集 回音壁模式, 但是耦合时需要比较精确的位置调节 和高稳定度, 极大限制了回音壁模式的应用. 此外, 在某些实际应用中受到限制, 例如腔 QED 实验需要 低温环境, 而低温腔有限空间难以放置耦合器件. 非 圆对称的腔(变形腔)会使回音壁模式出现方向性发 射, 可以通过这个机制实现与自由空间光束的直接 耦合[54,55], 这就避免了引入近场耦合器件. 变形腔内 的光线动力学过程显示出混沌特性, 也为量子混沌 研究提供了绝佳的实验平台[56]. 近年来, 这种非对称 微腔的方向性发射被广泛的研究[57,58], 实验已经在 各种边界形状的微腔中实现了高 Q 回音壁模式的方 图 4 (网络版彩图) (a)光纤锥波导与微腔耦合的示意图, (b)典型的传输谱线图 圆点为实验数据, 实线为洛伦兹线型拟合曲线 Figure 4 (Color online) (a) Schematic illustration of fiber-taper and microsphere coupling system; (b) a typical transmission spectrum, experimental results (circles) are fitted by Lorentz lineshape (solid line)
中国科学:物理学力学天文学2012年第42卷第11期 506 -30-15 Frequency(MHz) Frequency(MHz) 图5(网络版彩图)(a)在回音壁模式频率附近快速扫描激光频率得到的具有振铃现象的传输谱线;(b)当腔内两模式相 互作用时得到的类EI谱线线型 Figure 5( Color online)(a) Ringing phenomena in the transmission spectrum when the laser frequency is sweeping quickly nears a WGM[48] b)The analog of ElT phenomena in microsphere with two WGMs indirectly interact to each other [46] Pump lase (B) 50.8 (A) Far-field angle () 0.2 图7(网络版彩图)理论设计的单向性发射的变形腔(a)与 0.0 (b)分别对应计算的高Q回音壁模式近场与远场能量分布 0306090120150180210240270 Figure 7 (Color online) The designed deformed microcavity unidirectional emission (a) and(b)are near field and far field distri- 图6(网络版彩图)变形微球激光器的方向性出射远场分 butions of a high-Q WGM 布插图为变形微球腔照片,并且显示了自由空间耦合与激 发方法6 为了进一步提升高Q回音璧模式定向发射的准 Figure6 Color online) Far field distribution of directional emi-.直性和方向性,该小组在理论上深入研究了非对称 on of a deformed microsphere laser. Inset: the photograph of腔中的混沌光线动力学,归纳总结了单一方向发射 formed microsphere and depict of the excitation and collection in free space [601 的物理原理,并应用该原理设计出了基于玻璃材料 的高准直的单一方向发射的微腔形状.该形状已 向性出射,例如四极形( Quadrupole)0,蚶线形经被由北京大学的肖云峰小组在实验上证实.最近, Limacon)腔6和花生腔6 哈尔滨工业大学的Song等人则提出了一种“混沌 中国科学技术大学量子信息实验室的微腔实验辅助引导”的新机制,通过波导有效的收集变形腔中 小组提出了一种新的方法制备非对称的微腔,如图6的高Q模式,为变形回音壁模式微腔的研究注入新 所示.采用激光脉冲冲击的方式改变球腔的边界形的活力 状,当增加激光脉冲功率和数目时,腔的变形度增强, 其方向性出射的远场能量分布显示由两个发射峰变2应用 为单个“发射峰”.我们已经在这种腔中实现了低 回音壁模式具有各种优越性质,其应用前景受 值高方向性的出射,得到的实验结果与我们的边界到广泛关注.在这一部分,我们主要介绍回音壁模式 元模拟结果符合非常好.该腔支持的模式,不仅有很微腔的各种应用,包括光学滤波器、延时器件、传感、 好的方向性而且具有很高的Q值,这是一个很新奇低阈值激光器、非线性光学、腔量子电动力学以及量 的现象o 子光机械效应
中国科学: 物理学 力学 天文学 2012 年 第 42 卷 第 11 期 1161 图 5 (网络版彩图) (a)在回音壁模式频率附近快速扫描激光频率得到的具有振铃现象的传输谱线[48]; (b) 当腔内两模式相 互作用时得到的类 EIT 谱线线型[46] Figure 5 (Color online) (a) Ringing phenomena in the transmission spectrum when the laser frequency is sweeping quickly nears a WGM [48]. (b) The analog of EIT phenomena in microsphere with two WGMs indirectly interact to each other [46]. 图 6 (网络版彩图) 变形微球激光器的方向性出射远场分 布插图为变形微球腔照片, 并且显示了自由空间耦合与激 发方法[60] Figure 6 (Color online) Far field distribution of directional emission of a deformed microsphere laser. Inset: the photograph of deformed microsphere and depict of the excitation and collection in free space [60]. 向性出射, 例如四极形(Quadrupole)[59,60], 蚶线形 (Limacon)腔[61]和花生腔[62,63]. 中国科学技术大学量子信息实验室的微腔实验 小组提出了一种新的方法制备非对称的微腔, 如图 6 所示. 采用激光脉冲冲击的方式改变球腔的边界形 状, 当增加激光脉冲功率和数目时, 腔的变形度增强, 其方向性出射的远场能量分布显示由两个发射峰变 为单个“发射峰”. 我们已经在这种腔中实现了低阈 值高方向性的出射, 得到的实验结果与我们的边界 元模拟结果符合非常好. 该腔支持的模式, 不仅有很 好的方向性而且具有很高的 Q 值, 这是一个很新奇 的现象[64]. 图 7 (网络版彩图) 理论设计的单向性发射的变形腔(a)与 (b)分别对应计算的高 Q 回音壁模式近场与远场能量分布 Figure 7 (Color online) The designed deformed microcavity for unidirectional emission. (a) and (b) are near field and far field distributions of a high-Q WGM. 为了进一步提升高 Q 回音壁模式定向发射的准 直性和方向性, 该小组在理论上深入研究了非对称 腔中的混沌光线动力学, 归纳总结了单一方向发射 的物理原理, 并应用该原理设计出了基于玻璃材料 的高准直的单一方向发射的微腔形状[65]. 该形状已 经被由北京大学的肖云峰小组在实验上证实. 最近, 哈尔滨工业大学的 Song 等人[66]则提出了一种“混沌 辅助引导”的新机制, 通过波导有效的收集变形腔中 的高 Q 模式, 为变形回音壁模式微腔的研究注入新 的活力. 2 应用 回音壁模式具有各种优越性质, 其应用前景受 到广泛关注. 在这一部分, 我们主要介绍回音壁模式 微腔的各种应用, 包括光学滤波器、延时器件、传感、 低阈值激光器、非线性光学、腔量子电动力学以及量 子光机械效应