纳光电子前沿科学中心肖云峰、龚旗煌在超高灵敏声波传感研究中取得重要进展

【字体: 时间:2022年08月13日 来源:北京大学新闻网

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  北京大学物理学院现代光学研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士课题组基于光学微腔-悬臂梁微光纤耦合体系,首次构建出了具有宽频响应的耗散型光声相互作用,并证明其在声波检测中的重要潜力。2022年8月8日,相关研究成果以“光学微腔中的耗散型光声相互作用”(Dissipative acousto-optic interac...

  

微腔体系中的光声相互作用是诸多前沿与应用科学的物理基础,在量子光力学、精密测量、信息通讯和光声成像等领域都具有重要意义。长期以来,相关研究主要集中在色散型光声相互作用机制,即声波通过力学效应引起光学微腔的折射率和几何形貌变化,从而导致微腔共振频率移动。事实上,光声相互作用的完整物理图像还应包括耗散型机制,即声波调制微腔耗散从而改变光学共振模式线宽。然而,这种耗散型相互作用的贡献通常非常微弱,在实验上难以被观察到。

针对上述挑战,北京大学物理学院现代光学研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授、龚旗煌院士课题组在光学微腔-悬臂梁微光纤耦合体系中构建了一种耗散型光声相互作用(图1a)。悬臂梁微光纤在声波驱动下发生受迫振动,显著地调制了光学微腔共振模式的耗散。研究人员发现,这种耗散型机制对声波的响应比传统色散型机制提高2个数量级(图1b, c),且具有宽频响应特性。研究人员将耗散型机制实际用于超高灵敏声波传感,探测极限在140 kHz达到0.81 Pa,并且揭示了其传感灵敏度具有不显著依赖于光学模式品质因子以及光学微腔材料的独特优势。

进一步分析发现,该微腔光声耦合体系存在零响应的“静默”现象,表现出对外界声源的天然抗干扰能力,在磁场、温度等物理量的精密测量领域具有重要意义。此项工作不仅为光声相互作用的基础研究提供了新的思路,而且有望应用于高灵敏声波传感、光声成像及声光调制与频率转换等领域。

图1 (a) 微腔-悬臂梁光纤耦合体系中的耗散型光声相互作用;(b) 声波耗散型响应时域测量结果;(c) 声波色散型响应时域测量结果。

2022年8月8日,研究成果以“光学微腔中的耗散型光声相互作用”(Dissipative acousto-optic interactions in optical microcavities)为题,在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。课题研究人员还包括物理学院2019级博士研究生孟家伟、“博雅”博士后唐水晶、2019级本科生沈可,未来技术学院2018级博士研究生孙伽略(现为北京大学长三角光电科学研究院副研究员)和李长辉副教授。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金,以及北京大学高性能计算平台和山西大学极端光学协同创新中心等支持。


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