Advanced Quantum Technologies:可调谐开放式微腔 – 探索光与物质相互作用的新工具

光学微腔是能够把光约束在波长量级尺度的微纳光学器件,在光与物质相互作用、非线性光学、光力学、量子信息、拓扑光学等领域具有广泛的应用。与宏观的光学腔不同,光学微腔一般不是由若干独立的腔镜搭建而成,而是作为一个整体集成在一块固体芯片上。这种结构提供了很好的机械稳定性和很小的模式体积,这对增强光与物质相互作用的是至关重要的。然而由于缺乏可调组件,微腔在模式的频率和空间位置上可调谐性非常有限,想要其在空间和频率上同时精确对准选定的辐射体,具有相当高的难度。

近年来,可调谐开放式微腔作为一种新型的微腔类型,综合了小模式体积和大范围精确可调的优点,弥补了传统光学微腔的不足。开放式微腔是由两片独立的高反射率腔镜构成,其中一片是平面镜,另一片是曲率半径在微米尺度的凹面镜,两片腔镜上镀多层介质高反膜构成布拉格反射器(DBR)。凹面腔镜可以制备在光纤端面或者固体芯片上,发光材料则可以通过生长、旋涂或转移等方式集成在平面腔镜的表面。将两片腔镜用纳米位移平台组合在一起,即可形成一个平凹型微腔,支持三维约束的高斯模式。实验人员可以通过调节两腔镜之间的距离来调控微腔的谐振频率,通过调整凹面镜的位置来调节腔膜的空间位置。

西安交通大学李峰教授课题组在《Advanced Quantum Technologies》发表综述文章(DOI: 10.1002/qute.201900060),详细阐述了开放式微腔的基础理论、制备方法、装置结构以及其十余年以来在激子极化激元、高亮度量子光源以及纳米颗粒传感等领域的应用。开放式光学微腔的高度可调节性使得其腔膜在频率和空间上能够精确对准任何一个选定的单光子辐射体(如半导体量子点),最大程度地提高光子提取效率,制备优质量子光源。对于多辐射体体系,如量子阱中的激子,开放式微腔在提供三维光子约束的同时,不对发光材料进行刻蚀,从而保持了窄的激子线宽,这对于实现基于极化激元的量子效应,如极化激元阻塞与量子压缩等,具有重要的应用价值。此外,通过设计凹面腔镜的形状,可实现在光谱结构、空间结构和偏振结构等自由度对高斯腔膜的操控,实现光子自旋涡旋、可调谐光子分子、可调谐光子晶格等。

开放式光学微腔的另一独特优势是能够把一些难于与高品质微腔集成的新型发光材料嵌入其中。通过将二维发光材料嵌入其中,可实现具有能谷相干性的极化激元以及费米极化子激元。在单光子源方面,金刚石NV色心、纳米晶量子点、单分子发光体等都可以嵌入开放式微腔中,获得加速自发辐射、单个量子辐射体与微腔的强耦合等非常出色的结果。此外,开放式微腔中的高斯模式能够用于捕获和精密探测单个纳米颗粒,可作为一种高灵敏度的传感系统。 十余年来,开放式微腔系统从最初的建立到逐步发展成熟,已经越来越广泛地应用于量子光源和激子极化激元等研究领域。我们有理由相信在不久的将来,开放式微腔会成为普遍应用的探索光与物质相互作用的重要工具平台。