“飞秒光物理与介观光学”研究群体光学微腔研究取得进展

近日，北京大学“飞秒光物理与介观光学”研究群体肖云峰“百人计划”研究员和龚旗煌教授等人在金属覆盖的微芯圆环(metal coated microtoroid)体系中首次发现了一种外部回音壁模式(exterior whispering gallery modes)。该模式既有高品质因子，又具有良好的光场局域性。外部回音壁模式在高灵敏生物传感、低阈值微流激光和腔量子电动力学等领域内拥有美好的应用前景。该研究成果于10月8日发表在物理学领域的顶级刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters 105, 153902 (2010), Yun-Feng Xiao, Chang-Ling Zou, Bei-Bei Li, Yan Li, Chun-Hua Dong, Zheng-Fu Han, and Qihuang Gong）上。研究工作得到了国家自然科学基金委的“创新研究群体”项目和国家973项目等的资助。

回音壁模式的研究最早可追溯到一个世纪前，英国大科学家Lord Rayleigh研究声音在弯曲的圣保罗大教堂走廊上传播，如图1左。他发现可以清晰地听见与自己相距很远的两个人在回廊的另外一端的窃窃私语，所以这个声音传播的模式也被称为“耳语回廊模式”。事实上，在北京天坛的回音壁也有类似的现象，如图1右。随着科学家制备的物理器件尺寸越来越小，回音壁模式研究被逐渐扩展到了微波领域，最近的研究兴趣集中在光波中的回音壁模式。由于其具有极高的品质因子和较小的模式体积，回音壁模式既可作为基础科学研究的平台，如量子光学、腔量子电动力学和量子信息处理等，也被广泛应用于诸多重要的纳微光子器件，如窄带滤波器、低阈值微型激光器和高灵敏生化传感器等。

尽管回音壁模式光学微腔研究已经获得了巨大的成功，该模式的能量主要局限在腔体内这一特性限制了其在某些重要领域中的应用。学术界普遍认为，由于存在极高的辐射损失，高品质因子回音壁模式不可能分布在腔体之外。然而，北京大学肖云峰研究员和龚旗煌教授等人系统的研究了金属覆盖的微芯圆环体系(如图2a)，他们不但在该体系中发现了传统回音壁模式和内表面等离激元回音壁模式(如图2b和2c)，还首次理论证明了一种外部回音壁模式(如图2d)。借助表面等离激元(plasmonics)的特异性质，该外部回音壁模式既具有高品质因子，又具有高度的光场局域性。此外，他们证明该外部模式可以由一个光纤锥有效的激发。在一定的条件下，内外表面等离激元回音壁模式之间还可实现互相耦合，产生有趣的反交叉现象(anticrossing)，并形成具有更高品质因子(即更长的光子寿命)的反对称模(antisymmetric mode)。