打破纪录的悬浮激光谐振器

　　Physical Review X最近报道了以色列理工学院发明的一种新型光学谐振器，可以实现前所未有的谐振增强。此谐振器由Tal Carmon教授的指导，研究生Jacob Kher-Alden开发，在谐振增强方面堪称史上之最。

 

　　谐振器是一种利用被称作“共振增强”的方式，通过在腔两壁来回反射，来捕捉、增强或者反射波的装置。如今，世界上有各类复杂精密的谐振器，也有一些简单、为人所熟知的谐振器：比如增强吉它弦发声的吉它共鸣箱，增强长笛吹出声音的笛身等等。

 

　　吉他和长笛采用的是声学共振器，声波在共振器的两壁之间回响。物理学中常用的是光学谐振器，例如激光中所用的谐振腔。事实上，谐振器是光学中最重要的器件之一:“光学中的谐振器相当于电子学中的晶体管。”Carmon教授说。

 

　　通常来说，谐振器至少有两面来回反射光线的镜子，但有些谐振器也可以有多面反射镜。例如，三面镜子可以以三角形排列的形式来反射光线，四面镜子可以组成四边形反射，依此类推。甚至还可以可以将许多面镜子以接近圆形的形状排列，组成一个循环光路。环路中的镜子越多，环路就越接近一个完美的圆。

 

　　环形谐振器将光线的运动限制在一个单一的平面中。更甚一步，可以将反射镜放置在一个球面上，这样的结构允许光线在三维空间中在任意倾斜度、所有通过圆心的平面上旋转。

 

　　将球形腔应用于工业中的问题在于：如何设计一个干净、平滑、最接近球体的谐振器，并使光线往返反射次数最大。许多研究小组都在致力于解决这个挑战，并取得了一定成果。其中一种解决方案是一个固定在一条细光纤旁的球形或环形的微小玻璃谐振器。两年前，Carmon教授在Nature上给出了此谐振腔的一个例子。然而目前这种方案仍有改进的空间，因为对于球体谐振器来说，即使是支撑球体的连接杆也会造成球体的微小形变。因此，科学家们开始渴望制造出一个不与任何物体连接的悬浮式球体谐振器。

 

　　2018年诺贝尔物理学奖的获得者Arthur Ashkin在20世纪70年代发明了世界上第一个微型谐振器，同时也发明了悬浮谐振器。然而Arthur Ashkin很快就放弃了悬浮球体谐振器的研究方向。如今，受到他开创性工作的启发，新型的悬浮谐振器可实现1000万次光循环增强，而Arthur Ashkin的谐振器只能达到300次光循环。

 

　　悬浮的谐振器

 

　　在一个由反射率99.9999%的反射镜组成的谐振腔中，光线可以往返一百万次左右。Carmon教授说：“假设光线初始时有1瓦特的功率（相当于手机闪光灯功率），在光线在反射镜之间来回反射时，光线功率将会增加到一百万瓦特左右，相当于以色列海法地区一个大型社区的电力消耗。我们可以将高输出应用到一系列场景中去，比如用于激发反射镜之间各种光-物质作用。”

 

　　实际上，一百万瓦的功率都是由在镜面之间来回移动的同一批光子构成的，然而由于光子是无法区分的，物质无法分辨来回移动的是否是同一批光子：物质“感受”到的仅仅是超高功率。在谐振腔中，保证一百万瓦穿过一个很小的截面也是十分重要的。由Kher-Alden发明的这种装置，将1000万次的光束来回聚焦在一个比发丝截面小10000倍的界面上。由此，Kher-Alden创造了谐振光增强的新纪录。

 

　　以色列理工学院的研究人员开发的谐振器，由直径约20微米（约为一缕头发的四分之一）的超透明微小油滴构成。借助名为“光镊”的技术，光线将液滴固定在空气中。光镊技术可在没有支撑物的情况下将液滴固定在空中，保持液滴的完整球形，同时避免液滴沾染泥土。Carmon教授说：“光镊这一独创性的光学发明，在生命科学、化学、微流设备等领域已经被广泛使用。反而是光学研究人员很少使用这项技术，正如常言所说‘鞋匠的孩子反而没鞋穿’。我们的研究表明，光镊在光学工程领域具有巨大的应用潜力。未来可以使用多个光镊建立一个包含许多谐振器光学电路，并根据需要控制谐振器的位置和形状。”

 

　　球体保持完整性的另一个重要原因是液滴的尺寸十分微小，这就使得重力几乎不会使其发生形变，因为液滴尺寸远远小于使液滴呈现球形的液体界面表面张力的尺度。在以色列理工学院研究人员开发的独特系统中，来自一根光纤的光线射入一滴由一束激光束托住的油滴中，在光线穿过谐振器后，返回到同一根光纤中。

 

　　基于返回光纤的光的特性，研究人员可以知道水滴内部的情况。例如，关闭进入谐振器的光，可以测算光子在衰减之前在谐振器中存活的时间。基于这些数据和光速，可以计算出光子在一滴油滴中往返的次数。实验结果表明，此设计实现了有史以来最高的光放大倍数：光线在约1平方微米的横截面中往返穿梭1000万次，强度被放大了1000万倍。

 

　　此项研究发表于Physical Review X：https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031049。研究其他参与者包括：以色列理工学院的Shai Maayani, Mark Douvidzon, Leopoldo Martin，纽约市立大学皇后学院物理系的Lev Deych。此项研究属于美国国家科学基金会、计划和预算委员会Circle of Light I-Core center计划的一部分，研究由美国以色列双边科学基金会、美国国家科学基金会、以色列科学基金会资助。