“飛秒光物理與介觀光學”研究群體光學微腔研究取得進展

近日，beat365“飛秒光物理與介觀光學”研究群體肖雲峰“百人計劃”研究員和龔旗煌教授等人在金屬覆蓋的微芯圓環(metal coated microtoroid)體系中首次發現了一種外部回音壁模式(exterior whispering gallery modes)。該模式既有高品質因子，又具有良好的光場局域性。外部回音壁模式在高靈敏生物傳感、低阈值微流激光和腔量子電動力學等領域内擁有美好的應用前景。該研究成果于10月8日發表在物理學領域的頂級刊物《物理評論快報》（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。研究工作得到了國家自然科學基金委的“創新研究群體”項目和國家973項目等的資助。

回音壁模式的研究最早可追溯到一個世紀前，英國大科學家Lord Rayleigh研究聲音在彎曲的聖保羅大教堂走廊上傳播，如圖1左。他發現可以清晰地聽見與自己相距很遠的兩個人在回廊的另外一端的竊竊私語，所以這個聲音傳播的模式也被稱為“耳語回廊模式”。事實上，在北京天壇的回音壁也有類似的現象，如圖1右。随着科學家制備的物理器件尺寸越來越小，回音壁模式研究被逐漸擴展到了微波領域，最近的研究興趣集中在光波中的回音壁模式。由于其具有極高的品質因子和較小的模式體積，回音壁模式既可作為基礎科學研究的平台，如量子光學、腔量子電動力學和量子信息處理等，也被廣泛應用于諸多重要的納微光子器件，如窄帶濾波器、低阈值微型激光器和高靈敏生化傳感器等。

盡管回音壁模式光學微腔研究已經獲得了巨大的成功，該模式的能量主要局限在腔體内這一特性限制了其在某些重要領域中的應用。學術界普遍認為，由于存在極高的輻射損失，高品質因子回音壁模式不可能分布在腔體之外。然而，beat365肖雲峰研究員和龔旗煌教授等人系統的研究了金屬覆蓋的微芯圓環體系(如圖2a)，他們不但在該體系中發現了傳統回音壁模式和内表面等離激元回音壁模式(如圖2b和2c)，還首次理論證明了一種外部回音壁模式(如圖2d)。借助表面等離激元(plasmonics)的特異性質，該外部回音壁模式既具有高品質因子，又具有高度的光場局域性。此外，他們證明該外部模式可以由一個光纖錐有效的激發。在一定的條件下，内外表面等離激元回音壁模式之間還可實現互相耦合，産生有趣的反交叉現象(anticrossing)，并形成具有更高品質因子(即更長的光子壽命)的反對稱模(antisymmetric mode)。