[导读]回音壁模式光学微腔
回音壁模式光学微腔
光学谐振腔是指对光波起到空间和时间上的局域增强作用以及频率选择作用的光学元器件。在时间上的限制作用以品质因数（Q值）来表征，在空间上的局域作用以模式体积（Veff）来表征。光学谐振腔作为一类重要的光学器件，在现代光学中起着不可或缺的作用，已经成为激光器、光学滤波、光学精密测量、和非线性光学实验的基础。
作为一种特殊的光学谐振腔，光学微腔是指通过边界连续的全反射，将光子长时间的局域在微腔内形成回音壁模式的一类介质谐振腔。由于其特有的回音壁模式，使其具有超高Q值、极小的模式体积、超高的能量密度和极窄的线宽等优越特性，从而成为最典型的一类光子器件。表一中对三种谐振腔做了详细对比，与法布里-珀罗腔，光子晶体谐振腔相比除了具有超高的Q 值和极小的模式体积以外，回音壁模式谐振腔还具有容易制备，结构简单，能够通过光纤波导有效的激励和探测等优点。由于光学微腔这些优点得到各国科学家的广泛关注。
表一、三种光学谐振腔详细对比
早在 1910 年 Lord Raleigh就在声学领域中发现了回音壁模式的存在，当时在伦敦圣保罗教堂的环形走廊低声耳语，一段时间后听到相同的声音从背后传来，好像有人从背后重复自己的话，在北京天坛回音壁也有同样的现象如图一，故称之为回音壁模式。1939年，Richtmyer在理论上分析了介质谐振腔内的回音壁模式，并且预言了其中的回音壁模式具有高的品质因数。随后电磁波回音壁模式开始受到了人们的关注，首先微波波段的回音壁谐振腔被广泛研究，并且成功应用到工程领域。随着激光技术的发展，20世纪70年代，回音壁模式的研究与应用逐渐扩展到光学波段。但是由于受到加工水平的限制，光学回音壁谐振腔在接下来的十年里发展缓慢。直到1989年俄罗斯科学家V.B.Braginsky等人报道了通过加热熔融玻璃光纤制备了稳定的固态微球腔，并且测得直径为150μm的微球Q值高达108。由于微球腔超高的Q值，简单稳定的结构和相对容易的制备方法，得到迅速推广。目前全世界大量课题组投入到回音壁模式光学微腔的研究中，已经在多种晶体和非晶体材料中（如氟化钙、铌酸锂、氟化镁和硅、二氧化硅、氮化硅等）实现了回音壁模式谐振腔，并且谐振腔具有多种结构形式包括微球腔、微盘腔、微环腔，图二显示了光学微腔各种结构。
图一、（a）纽约圣堡罗大教堂和（b）北京天坛回音壁
图二、最典型几种微腔结构（a）二氧化硅微球腔（b）氟化钙微盘腔（c）硅微盘腔（d）二氧化硅微盘腔（e）二氧化硅超微环腔（f）超高Q二氧化硅微盘腔
回音壁光学微腔的应用
随着光学微腔制备工艺的成熟，光学微腔在越来越多的领域得到应用。近年来在低阈值激光器、高灵敏度生化传感、声光耦合、腔量子电动力学等领域都取得了丰硕成果。如图三所示是微腔在各领域中成功的应用，（a）2002年Vahala课题组在锥形光纤耦合的镱铒共掺磷酸盐玻璃微球中实现了低阈值的激光发射，阈值为60μw；（b）显示了最近加州理工大学Takao Aoki等人在实验中实现了单个铯原子和微环腔的强耦合；（c）2008年哈佛大学Frank Vollmer报道的利用高Q值微球腔实现了单分子检测；（d）2011加州理工学院Lu Tao等人利用微环腔实现了直径为12.5nm的纳米颗粒的检测。
图三、光学微腔的应用领域