Ny enhed til symmetri-brud-induceret optisk ikke-linearitet

Andenordens ikke-lineære optiske processer spiller en afgørende rolle i både klassiske og kvante applikationer, lige fra forlængelse af de tilgængelige frekvenser til frembringelse af kvanteindviklede fotonpar og pressede tilstande. Denne ikke -linearitet er udelukket, desværre, ved inversionssymmetri i materialer, der ligger i hjertet af integreret fotonik, for eksempel, silica, silicium og siliciumnitrid.

Nu, et team af forskere ledet af professor Xiao Yun-Feng og professor Gong Qihuang ved Peking University, i samarbejde med professor Liu Yu-Xi Tsinghua University (Kina), Professor Qiu Cheng-Wei ved National University of Singapore (Singapore) og professor Yang Lan ved Washington University i St. Louis (USA), har demonstreret anden harmonisk generation (SHG) fremkaldt af symmetribrud på overfladen af ​​en silicagiskende whispering gallery mode (WGM) mikrokavitet. Dette værk er blevet offentliggjort online i Natur fotonik .

SHG, en grundlæggende andenordens ikke-lineær optisk effekt, er den proces, hvor to fotoner med samme frekvens interagerer med det ikke -lineære materiale og kombineres til at generere en foton med to gange frekvensen. I materialer med inversionssymmetri, SHG er forbudt på grund af det symmetriske potentiale, som elektronerne oplever. Imidlertid, på overfladen/grænsefladen af ​​disse materialer, elektronerne ser et andet potentiale på de to sider af overfladen/grænsefladen, giver naturligvis anledning til at overfladesymmetri brydes. Dermed, inversionssymmetribrud muliggør andenordens ikke -lineære effekter på overfladen, åbning af en væsentlig dør for at karakterisere de overflader/grænseflader, der er af stor betydning inden for fysik, kemi, biologi og elektronik.

"Desværre, ulineariteten fra iboende symmetri, der bryder på overfladen, er normalt ekstremt svag i tidligere undersøgelser, og kun tusinder af andenharmoniske (SH) fotoner genereres af en 50-fs puls med en gennemsnitlig intensitet på 500 GW/cm2, "sagde Cao Qi-Tao, en kandidatstuderende ved Peking University.

I dette arbejde, fysikerne brugte ultrahøj-Q WGM-mikrohulen til at realisere dual-resonansforbedring af den symmetri-brud-inducerede ikke-linearitet på overfladen. WGM ligner de akustiske resonanser i det hviskende galleri i St. Paul Cathedral i London, hvor den akustiske bølge fra en højttaler på den ene side af galleriet cirkulerer bygningen, når lytteren på den anden side. Takket være det lave spredningstab og den lave volumen, ultrahøj-Q WGM-mikrohulrum, som den optiske analog, fange fotoner, der kan cirkulere inde i hulrummet i op til hundredtusinder af gange, så intracavity -effekten øges følgelig i op til fem størrelsesordener med hensyn til input.

"Den ultrahøje Q er uundværlig for at øge SH -kraften, mens den tilsvarende ultra-smalle linjebredde også udgør en udfordring for os at sikre, at både inputlyset og dets andet harmoniske signal er i resonans med hulrumstilstandene, "sagde Zhang Xueyue, en tidligere forskningsassistent i gruppen af ​​Xiaoo og en bachelor på Tsinghua University, nu kandidatstuderende på Caltech. "Her, Vi anvender den termiske effekt og den optiske Kerr -effekt for dynamisk at nå dette mål. "

Disse effekter fremkalder et frekvensskift i hulrumstilstanden og hjælper til dynamisk at realisere en stabil matchning af både pumpe og SH -resonanser næsten samtidigt, også kendt som fasematchende tilstand. Som resultat, den anden harmoniske opnås under en pumpeeffekt på mindre end en milliwatt, som er den laveste blandt de rapporterede kræfter i centrosymmetriske materialer. Den tilsvarende konverteringseffektivitet er hidtil uset så høj som 0,049 procent W ^-1 , fjorten størrelsesordener højere end for ikke-forbedringshuset i konventionel overflade ikke-lineær optik.

Ud over ultrahøj effektivitet, den utvetydige identifikation af overfladens ikke-lineære effekt er også et afgørende træk, der gør den hulrumsforbedrede overfladeanalyse mulig. I silica, bulk -multipol -effekterne kan forstyrre det deterministiske studie af overfladeegenskaber, som længe har været meget udfordrende inden for overfladevidenskab. For yderligere at identificere oprindelsen til de ikke -lineære signaler, forskerne analyserede pumpens polarisering og den rumlige fordelingsegenskab for det genererede andet harmoniske signal. Følgelig, de opnåede eksperimentelt kun anden harmonisk fra overfladesymmetri-brud-induceret ikke-linearitet og eliminerede massemultipoleffekterne, i stedet for blandingen af ​​de to bidrag.

"Dette eksperiment opnår den højeste registrering af SHG -effektivitet inden for siliciumdioxidfotonik, "sagde professor Xiao." Endnu vigtigere, arbejdet kan åbne mulighed for at kombinere den overfladespecifikke detektion og resonansforbedringen fra mikroresonatorer. Den mekanisme og ordning, vi lærte og udviklede i dette arbejde, herunder den dynamiske fasematchingsmetode, vil fungere som grundsten til forskellige anvendelser, især i ultrafølsom overfladeanalyse. "