物质学院沈晓钦课题组在表面非线性光学研究取得重要进展

ON2019-12-03CATEGORY科研进展

近日,上海vns85978威尼斯城官网物质学院沈晓钦教授在表面非线性光学研究取得重要成果:通过单分子层在光学微腔表面构建定向排列拉曼模式,首次在实验上实现了一种为“表面受激拉曼”非线性光学过程的有效激发,促使片上微腔器件的拉曼激射效率显著提升近一个数量级,并在理论上通过化学键角及表面拉曼模式夹角的分析,阐述“表面受激拉曼”过程及器件拉曼激射的偏振依赖特性。该研究工作的原创性和意义获得三位审稿人一致肯定,发表于国际著名期刊Nature Photonics上。

伴随上世纪60年代激光器的发明,非线性光学研究已发展成一门内涵丰富的现代光学学科,在物理、化学、生物、信息学等学科领域具有重要的应用。其中,沈元壤(Yuen-Ron Shen)老先生在上世纪80年代提出并发展的、基于“二次谐波与和频”的表面非线性光学技术,已成为研究界面或表面的一种重要的现代光学与光谱技术。因而,人们常说的表面非线性光学,通常是指表面二次谐波与和频。

事实上,早在1979年,美国贝尔实验室研究人员理论上曾提出另一种表面非线性光学效应,即基于表面分子振动的“受激拉曼散射”,并在1980年报道了单分子层表面受激拉曼光谱的初步实验结果。但是,由于表面单分子层产生的受激拉曼光谱信号极其微弱,1980年之后再无相关研究报道出现。对于 “受激拉曼散射”表面非线性光学效应研究的困境,沈元壤先生在2000年总结评论认为它是由于拉曼过程缺乏“表面特异性”所致。

尽管二次谐波与受激拉曼散射都是具有“取向”依赖的非线性光学效应,两者有本质的区别。二次谐波的产生是基于分子尺度的 “电子非线性”特性,而拉曼散射的产生是基于原子尺度的“振动非线性”特性。表面单分子在分子尺度的非对称电子结构的有序排列,并不意味着构成分子的各原子的振动模式也是定向有序的。事实上,分子内原子按各自的模式振动,从整体分子上看通常是杂乱的,因而宏观上拉曼过程缺乏“表面特异性”。

另一方面,传统表面光学研究的平台技术中,激发光子与单分子层的相互作用时间(或相互作用距离)极短。单分子层的拉曼增益值极小,所能产生的信号及其微弱。沈晓钦认为,如果能同时解决拉曼过程的“表面特异性”问题和单分子层拉曼增益值极小的问题,就有望能有效激发单分子层的受激拉曼散射过程,推动单分子振动光谱和新型拉曼激光器的研究。

研究人员采用高品质因子(高Q)微腔为平台,巧妙地解决了以上两个制约表面受激拉曼的关键问题。通过化学键接方式将简单的硅烷分子引上高Q微腔表面,形成一个单分子层。在单分子层中,新形成的表面硅氧拉曼模式,以固定的倾角键接排列在光学微腔的环形表面。同时,利用高Q微腔中光子循环传播寿命(即光与介质的相互作用时间)长的特点,通过表面瞬逝场激发表面定向拉曼模式。Q为10的7次方以上的微腔,光子的循环寿命可达数纳秒以上。这相当于光子在介质中传播了6-7米距离以上所需的时间。

研究人员制备系列不同尺寸参数、不同硅烷分子修饰的微腔。通过模拟和实验多手段确定了表面单层定向拉曼模式的构建及单分子层的拉曼增益系数。他们采用780nm连续光源,通过光纤耦合方式泵浦单分子层修饰微腔,发现微腔产生了显著的拉曼激射。理论与实验研究发现,微腔循环光子有效激发表面定向排列的硅氧拉曼模式,产生表面受激拉曼效应,促发了微腔器件拉曼激射过程的增强。与普通微腔比较,效率显著提升了近一个数量级。单向激射效率达40%左右。研究人员进一步研究发现,在TM和TE两个模式泵浦光激发下,器件的拉曼激射行为具有偏振依赖性。TM和TE模式激发下,器件的激射效率比值约为3:1。通过化学键角及表面拉曼模式夹角的分析,发现两个偏振态下的激射效率的实验值与理论分析值完美吻合。结合表面定向拉曼模式与非定向拉曼模式的实验研究,阐述了表面受激拉曼散射的产生和及其对微腔拉曼激射过程促进作用。

沈晓钦为第一编辑,他和南加州大学Andrea Armani为共同通讯编辑,阿肯萨斯大学Wei Zhao提供模型分子的DFT拉曼光谱模拟。该工作的实验部分在南加州大学完成,表面受激拉曼模型的分析确立工作在上海vns85978威尼斯城官网期间完成。

近年来,沈晓钦专注于表面分子与高Q微腔的协同作用,致力于微腔表面的新物理、新性能和新调控技术的探索研究,取得了显著的初步成果。前期研究中,发现高Kerr系数单分子层能够调控并显著增强微腔的光参量振荡过程及基础频率梳产生。研究成果发表在Science子刊Science Advances(Sci. Adv., 2018, 4, eaao4507) 。除了本次Nature Photonics的工作成果之外,沈晓钦回国加入上海vns85978威尼斯城官网后,与合编辑进一步研究了表面分子修饰微腔的三次谐波与和频光转换与调控。研究成果以封面报道和编辑推荐的形式发表在近期的Physical Review Letters(Phys. Rev. Lett. 2019, 123,73902)上。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41566-019-0563-7