科学研究
科研成果
极端光学研究团队肖云峰、龚旗煌等实现了混沌辅助的超宽谱微腔光频梳
发布日期:2020-05-12浏览次数:

日前,北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士领导的课题组在微腔光学频率梳研究中取得重要进展:利用非对称光学微腔中的混沌辅助宽带动量变换,实现了覆盖两个倍频程、跨越可见到红外波段的超宽谱光梳的激发与高效率收集,打破了国际微腔光梳谱宽记录。相关研究成果于2020年5月11日在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)上,文章题目为 "Chaos-assisted two-octave-spanning microcombs"“(https://www.nature.com/articles/s41467-020-15914-5)

图1:混沌辅助的超宽谱微腔光梳示意图

光学频率梳是具有确定梳齿频率间隔的光频标尺,在精密测量中发挥了极为重要的作用。近年来,一种基于光学微腔的新型芯片级光梳取得了突破性进展,其具备体积小、功耗低、精度高等优势,大大拓宽了传统桌面级精密光源的应用场景。目前,这种芯片级光梳已在超快激光雷达、光学频率合成、大容量相干光通信和精密光谱学等方向上展现了巨大潜力,因而对基础研究和产业应用都具有重要意义。然而,单个微腔光梳能够覆盖的光谱范围往往被色散以及收集效率限制,从而阻碍了其在光学原子钟、类地行星探寻、生物成像等重要领域的进一步应用。

图2,实验实现的覆盖450-2000 nm、跨越两个倍频程展宽的微腔光梳光谱图。插图:显微镜直接观测到的多色可见光出射

近期工作中[Science 358, 344 (2017)],北京大学微腔光学课题组首次提出和证明了非对称微腔中混沌辅助光子宽带动量变换过程,并得到国际同行的广泛关注。在最新的工作中,课题组将该概念首次引入到微腔光梳系统,实现了混沌辅助的超宽谱光梳(图1)。实验上,研究人员首先在二氧化硅微芯圆环腔中,通过四波混频过程在红外的泵浦光(1550 nm)附近产生光梳,之后利用表面对称破缺诱导的二阶非线性和二氧化硅本征的三阶非线性效应实现跨波段的可见、近可见光梳产生。通过增加腔内的泵浦光场,三个波段的光梳最终融合在一起,形成覆盖450-2000nm、宽达两个倍频程的超宽谱光梳(图2)。利用预先设计的非对称腔体形状提供的混沌诱导动量变换通道,实现了微腔与耦合波导的宽带有效耦合,从而极大地增强了宽谱光梳在全波段的收集效率。研究人员还在实验和理论上系统地研究了跨波段微腔光梳的形成动力学过程,并利用双波导结构,比较了混沌辅助耦合与传统相位匹配耦合方案的效果,有力地支持了混沌辅助方案在全波段耦合的高效性。此外,研究人员还首次在非对称微腔中观察到锁模孤子光梳产生的台阶信号,为非对称微腔中的孤子研究奠定了基础。

此项工作首次将变形度作为一个新的自由度引入到微腔光梳的研究中,为混沌物理与时间孤子相结合的物理研究新方向提供了可能性。同时,实验实现的超宽谱光梳对光学原子钟、天文光谱校准和生物成像等应用具有重要意义。

论文的主要合作者包括美国弗吉尼亚大学易煦助理教授(物理学院2008级校友),加州理工学院王贺明(物理学院2012级校友)和杨起帆博士(物理学院2009级校友)等。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、教育部、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心和北京大学高性能计算中心等的支持。