光學微腔
光學微腔或微諧振器是由兩端為反射面而其中為間隔層或光學介質形成的結構，或者通過以圓形方式包裹波導以形成環而形成的結構。前者為駐波腔，後者為行波腔。之所以稱為微腔，是因為它的尺寸通常只有幾微米厚，而其間隔層有時甚至在納米大小。與普通激光器原理一樣，這造成了一個允許在間隔層內形成駐波或在環中繞行的行波的光學腔或光學諧振腔。
應用與效果[編輯]
傳統光學腔和微腔之間的區別主要在於系統的尺寸，但微腔的工作原理通常可以用較大的光學諧振器來理解。在微腔中可以觀察到光電磁場的量子效應[1]。例如，原子的自發發射率和原子的行為會被微腔改變，這種現象被稱為受抑制的自發發射 [2]。如果周圍環境極小，可以想像沒有光子發射。這導致發射光譜顯着變窄。
此外，由於強光禁閉，非線性效應增強了幾個數量級，導致微諧振器頻率梳的產生，還有像是低功率參數過程 包含了 下變頻、二次諧波產生、四波混頻和光參量振盪等. [3]其中一些非線性過程本身會導致光量子態的產生。另一個利用光的強禁閉而衍伸出的研究領域是腔光機械學，其中光束與諧振器的機械運動的來回相互作用變得強耦合 [4] [5]。這個領域，量子效應也開始發揮作用。 [6]
微腔有許多應用，目前經常用於光電子，其中最為人所知的是垂直腔表面發射激光器VCSEL。最近，通過將量子點放置在微腔中，現實了單光子發射裝置。這些光源對量子密碼學和量子計算機 有很大的意義。
類型[編輯]
駐波[編輯]
微腔支持單模或幾種駐波模式，是由間隔層的厚度決定。所謂的「腔模」，是指可以傳輸的一個波長，並於諧振腔內形成駐波。根據反射鏡的類型和質量，在微腔中的透射光譜會形成所謂的阻帶，即反射的長範圍波長和透射的單個波長（通常在中心）。有多種製造駐波微腔的方法，可以通過蒸發介電介質的交替層以形成反射鏡 ( DBR ) 和間隔層內的介質，也可以通過修改半導體材料或金屬反射鏡來達成。
行波[編輯]
通常稱為「微諧振器」，行波微腔的波在方向上以環狀方式傳播，具體如何取決於輸入光方向。它們可以是回音壁諧振器的形式，也可以是集成環形諧振器。製造它們的典型材料可以是半導體，例如矽、二氧化矽、氮化矽、結晶氟化物（ CaF2 、 MgF2 、 SrF2 ）或鈮酸鋰。選擇的材料使其在所需應用的波長下是低損耗和透明的。通常，此類結構是通過金剛石車削或對圓柱形材料棒進行微加工（特別是氟化物和鈮酸鋰），或通過光刻和電子束光刻在晶片上產生圖案化諧振器（用於矽基材料）來製造的。
當波長的整數倍與諧振器的圓周匹配時，因為相長干涉，諧振波會被激發。在共振時，光場可以被增強幾百甚至到幾百萬倍，其量由諧振器的精細係數決定 [8]。這情形也導致超高品質因數，就是說光在衰減到周圍環境之前繞着圓周傳播了數百萬次 [9] [10]。
參閱[編輯]
參考[編輯]
- ^ Fürst, J. U.; Strekalov, D. V.; Elser, D.; Aiello, A.; Andersen, U. L.; Marquardt, Ch.; Leuchs, G. Quantum Light from a Whispering-Gallery-Mode Disk Resonator. Physical Review Letters. 2011-03-15, 106 (11): 113901. Bibcode:2011PhRvL.106k3901F. PMID 21469862. arXiv:1008.0594
. doi:10.1103/PhysRevLett.106.113901.
- ^ Yablonovitch, Eli. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. Physical Review Letters. 1987-05-18, 58 (20): 2059–2062. Bibcode:1987PhRvL..58.2059Y. PMID 10034639. doi:10.1103/PhysRevLett.58.2059 .
- ^ Fürst, J. U.; Strekalov, D. V.; Elser, D.; Aiello, A.; Andersen, U. L.; Marquardt, Ch.; Leuchs, G. Low-Threshold Optical Parametric Oscillations in a Whispering Gallery Mode Resonator. Physical Review Letters. 2010-12-27, 105 (26): 263904. Bibcode:2010PhRvL.105z3904F. arXiv:1010.5282 . doi:10.1103/PhysRevLett.105.263904.
- ^ Kippenberg, T. J.; Vahala, K. J. Cavity Opto-Mechanics. Optics Express. 2007-12-10, 15 (25): 17172–17205. Bibcode:2007OExpr..1517172K. ISSN 1094-4087. arXiv:0712.1618 . doi:10.1364/OE.15.017172 （英語）.
- ^ Aspelmeyer, Markus; Kippenberg, Tobias J.; Marquardt, Florian. Cavity optomechanics. Reviews of Modern Physics. 2014-12-30, 86 (4): 1391–1452. Bibcode:2014RvMP...86.1391A. arXiv:1303.0733 . doi:10.1103/RevModPhys.86.1391.
- ^ Aspelmeyer, Markus; Meystre, Pierre; Schwab, Keith. Quantum optomechanics. Physics Today. July 2012, 65 (7): 29–35. Bibcode:2012PhT....65g..29A. ISSN 0031-9228. doi:10.1063/PT.3.1640 （英語）.
- ^ Vahala, Kerry J. Optical microcavities. Nature. 2003, 424 (6950): 839–846. Bibcode:2003Natur.424..839V. ISSN 0028-0836. PMID 12917698. doi:10.1038/nature01939.
- ^ Savchenkov, Anatoliy A.; Matsko, Andrey B.; Ilchenko, Vladimir S.; Maleki, Lute. Optical resonators with ten million finesse. Optics Express. 2007-05-28, 15 (11): 6768–6773. Bibcode:2007OExpr..15.6768S. ISSN 1094-4087. doi:10.1364/OE.15.006768 （英語）.
- ^ Ji, Xingchen; Barbosa, Felippe A. S.; Roberts, Samantha P.; Dutt, Avik; Cardenas, Jaime; Okawachi, Yoshitomo; Bryant, Alex; Gaeta, Alexander L.; Lipson, Michal. Ultra-low-loss on-chip resonators with sub-milliwatt parametric oscillation threshold. Optica. 2017-06-20, 4 (6): 619–624. Bibcode:2017Optic...4..619J. ISSN 2334-2536. arXiv:1609.08699 . doi:10.1364/OPTICA.4.000619 （英語）.
- ^ Armani, D. K.; Kippenberg, T. J.; Spillane, S. M.; Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature. February 2003, 421 (6926): 925–928. Bibcode:2003Natur.421..925A. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature01371 （英語）.
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