高品質回音壁模光學微腔，是一種表面極其光滑的一種圓形光學諧振腔，其品質因子（Q: quality factor）通常在10的7次方以上。由于光的全反射作用，當光子被耦合進入微腔后，在光子波長與微腔周長成整數倍關系時，光子可在微腔內長時間循環傳播，長達數納秒的時間。因此，當一束較低功率的激光被耦合進微腔后，微腔內部的循環光場強度可被累積放大，可高到10萬倍以上。自從加州理工大學Kerry Vahala組在2002年首次制備出可在硅片上集成的超高Q值二氧化硅微腔后，高Q值微腔研究逐漸進入一個蓬勃發展的階段。高Q值微腔在理論量子物理、非線性光學、天文頻譜標定、及高精度生物監測等多個領域，都具有重要的理論研究價值和應用前景。
然而，受到材料性質和制備工藝的限制，可制備為的高Q值光學微腔的材料非常的有限，嚴重限制了微腔光學研究和應用的進一步擴展。例如：最常見的二氧化硅光學微腔，由于二氧化硅本身的各種光學增益系數非常小，導致器件的大多非線性光學頻率輸出的效率較低，所需泵浦功率閥值較高，從而限制了其在非線性光學等方面實際應用的前景。盡管如此，由于高Q值微腔對器件的表面光滑度和材料的光學損耗特性的要求極高，以及光學物理與材料化學間不同學科的障礙，新型非線性高Q值微腔的開發和研究進展非常緩慢。
最近，在南加州大學Andrea Armani組做博士后研究的沈曉欽博士，從器件表面工程的角度，首次提出用有機光學單分子層功能化修飾二氧化硅微腔，制備出了同時具備超高Q值和極大的表面單分子層增益的新型光學微腔。基于對有機非線性材料和微腔非線性光學的深刻理解，沈博士提出一個評價微腔的光參量振蕩（optical parametric oscillation）特性的Figure-of-Merit參數表達式。并以此為依據，設計并制備出了一種新型表面單分子層修飾的高Q值光學微腔。研究表明，通過光纖耦合技術，在CW激光泵浦下該新型光學微腔的光參量振蕩頻率輸出，是傳統無修飾微腔的10的三次方倍，實現了有效的光學頻率梳（optical frequency comb）制備。沈曉欽博士以第一作者兼共通訊作者的身份，在Science Advances上發表了該研究成果（Science Advances 4 (1), eaao4507）。該結果發表后，迅速在Phys.org上被作為研究亮點報道。
圖一：（A)表面有機分子功能化的光學微腔及光學頻率梳制備示意圖。(B,C)微腔的光模截面圖。
圖二：（A)新型微腔器件中產生的光學頻率梳輸出譜。（B)頻率梳中首個相干光子對的輸出功率與泵浦輸入功率的關系圖。新型器件中光頻梳的最大輸出功率為傳統器件的10的3次方倍。
非線性光學研究通常需要高功率的脈沖光源。傳統有機和高分子非線性光學的研究，大多局限于利用超快脈沖激光來研究溶液或薄膜體系中有機分子的非線性光學性質。這使得有機非線性材料在前沿非線性光學領域的研究和應用非常受限。沈博士認為，從這個角度講，其研究成果表明，采用CW光纖耦合技術的高品質微腔可為有機和高分子非線性光學領域研究提供一個新的器件平臺。該研究成果對有機非線性光學領域的研究具有重要的指導意義，為有機非線性材料向微型器件化發展提供了一個重要的參考模型。
小知識：光學頻率梳，是由一組十分精密的、半峰寬非常小的、及等頻率（波長）間距的相干光子組成的光子束。各光子的頻率（波長）排列在一起形如梳子，故稱為光學頻率梳。基于光學Kerr效應的四波混頻（four-wave-mixing)非線性過程，是制備光學頻率梳的主要機理。光頻梳在高精度光譜、天文頻譜標定、光量子對操縱、及全光超快調控、及光子鐘等前沿領域方面具有重要的研究和應用價值，也是目前光學物理與光學器件工程領域重要的研究熱點之一。
- “高分子非線性流變行為的分子機理與性能調控”重大項目指南 2017-07-14
