中国光学十大进展｜用“回音壁”将光合二为一 得到灵敏探针

天坛的回音壁之所以能令语声传送百米仍辩字清晰、气韵悠长，是因为其特别的弧度将声波汇聚在弯曲墙壁内侧进行传播。

那有没有一面弯曲的“墙壁”可以汇聚光波，得到更高的能量？

北京大学肖云峰教授和龚旗煌院士领导的研究团队就利用超高y s c品质因子回音壁光学微腔，得到了“合二为一”7 / J ~ d t : |的光波，相比此前! v ~ ,的方法合成效率提升了0 ^ M ^ X w14个数量级。

这种增强后的光学信号可以作为一V m # { , e { 2种超高灵敏度的无标记“探针”f _ ; , d，用来检测和研究材料表面分子的结构、排布、吸收等物理、化学性质。

由中科院上海光学精密机N @ o $ ` ! D z ~械研究所和中国光学学会主办的中国激光杂志社近日发布2019年度中[ & F o国光学十大进展，上述“微腔表面对称性破缺诱导非线性光学”作为基础研究类T ; Q成果入选。7 b X ! E a 6 p

天坛回音壁

澎湃新闻（www.thepap: . [ - P E @ M ber.cn）记者邀请微腔非线性光学专家、南开大学C F L j物理科学学院副院长薄方教授3 S e n ? -解读该成果。薄方介绍道，回音壁光学微腔（例如球形微腔）的基本原理是光波在材料表面处发生全反射，使得光波能够沿内表面持续传输。这个过程与天坛回音壁传声类似。

“它最显著的特点是可以长时K @ e & a C间的把光限制在腔体里面，从而实现很强的能量积累，这也就是超高品质因子的含义。”他说t / Y * B x M l 7道。

光子二合一

北京大学团队的这项研究成果，从专业角度上讲是增Z 7 X强了“二阶非线性光学效应”。

什么是非线性光学？线性光学的U d * h e + R特点是不改变光的频率。由于光的能量与频率呈正比，不改变频率，能量也就不会发生改变。

反之即可推出，非线性光学可能会发生能量变化。其中，二阶非线性光学效应是现代光学研究与应T + ! W D ? H - (用中最基本、最重要的非线6 W P G Q B ~ {性光学过程之一，被广泛地用于实现频率转换、光学调制和量子光源等。

我们可以通俗地理解，二阶非线性光学效应是把两个频率为“1”的光子，合并成了一个频率为“2”的光子，单光子的能量翻倍。

虽然听起来很美好，但这样的方案实现起来是很难的。直到人类制造出@ h 化学性质，为表面科8 u k j B ; N e学的研究和应用提供了一个全新的物理平台。

研究过程中发展的动态相位匹配机制具有普适性，可进^ K b R V y一步推广到不同材料、不同形状的光学谐振腔中，并可能( @ D R s在非线性集 E t R * ] V成光子学中发挥重要作用。

作为后续，研究团队将一方面引入其它材料对微腔表面进行修饰，调控微腔表面的非线性光学行为；另一方面，利用这种“探针”对微腔周围的物质分子做无标记探测以及特异性识别。