WikiDer > Оптический микрополость

Optical microcavity
Моделирование с временным разрешением динамики импульса, освещающего микрополость.

An оптический микрополость или микрорезонатор представляет собой структуру, образованную отражающими поверхностями с двух сторон разделительного слоя или оптического носителя, или путем обертывания волновод по кругу, чтобы сформировать звенеть. Первый тип - это стоячая волна полости, а последняя представляет собой бегущая волна полость. Название микроПолость возникает из-за того, что она часто составляет всего несколько микрометров, а промежуточный слой иногда даже в нанометровом диапазоне. Как и в случае с обычным лазеры это формирует оптический резонатор или оптический резонатор, позволяя стоячая волна внутри разделительного слоя или бегущей волны, которая идет по кольцу.

Приложения и эффекты

Фундаментальное различие между обычным оптическим резонатором и микрорезонаторами заключается в эффектах, которые возникают из-за малых размеров системы, но их принцип работы часто можно понять так же, как и для больших оптических резонаторов. Квантовая эффекты света электромагнитное поле можно наблюдать[1]. Например, спонтанное излучение скорость и поведение атомы изменяется из-за такой микрополости, явление, которое упоминается как подавленное спонтанное излучение[2]. Это можно представить как ситуацию, когда нет фотон испускается, если окружение - это ящик, который слишком мал, чтобы его вместить. Это приводит к изменению спектр излучения, которая значительно сужается.

Более того, нелинейные эффекты усиливаются на порядки из-за сильного ограничения света, что приводит к генерации частотные гребенки микрорезонатора, малая мощность параметрические процессы такие как понижающая конверсия, генерация второй гармоники, четырехволновое смешение и оптическое параметрическое колебание[3]. Некоторые из этих нелинейных процессов сами по себе приводят к генерации квантовых состояний света. Еще одно поле, использующее сильное ограничение света, - это оптомеханика полости, где возвратно-поступательное взаимодействие светового луча с механическим движением резонатора становится сильно связанным[4][5]. Даже в этой области квантовые эффекты могут начать играть роль[6].

Микрорезонаторы находят множество применений, часто в настоящее время в оптоэлектронике, где вертикальные резонаторы с поверхностным излучением VCSEL наверное, самые известные. Недавно сингл фотон излучающее устройство было продемонстрировано путем размещения квантовая точка в микрополости. Эти источники света интересны квантовая криптография и квантовые компьютеры.

Обзор дан в обзорной статье, опубликованной в журнале. Природа.[7]

Типы

Стоячая волна

Для микрополости, поддерживающей одномодовый режим или несколько режимов стоячей волны, толщина разделительного слоя определяет так называемую «режим резонатора». длина волны который может передаваться и будет формироваться как стоячая волна внутри резонатора. В зависимости от типа и качества зеркал при передаче образуется так называемая полоса заграждения. спектр микрополости, большой диапазон длины волн, который отражается и передается одиночный (обычно в центре). Существуют разные способы изготовления микрополостей стоячей волны, либо путем испарения чередующихся слоев диэлектрической среды для формирования зеркал (DBR) и среды внутри разделительного слоя или путем модификации полупроводник материала или металлическими зеркалами.

Бегущая волна

В микрополостях бегущей волны, которые часто называют «микрорезонаторами», волна движется по петле в предпочтительном направлении, в зависимости от направления входящего света. Они могут быть в виде резонаторы шепчущей галереи, или как интегрированные кольцевые резонаторы. Типичные материалы, из которых они сделаны, могут быть полупроводниками, такими как Кремний, Диоксид кремния, нитрид кремния, кристаллические фториды (CaF2, MgF2, SrF2) или ниобат лития. Материал выбирается таким образом, чтобы он был прозрачным для желаемой длины волны и с низкими потерями. Обычно такие конструкции изготавливают либо алмазное точение или микрообработка цилиндрический стержень из материала (особенно для фторидов и ниобата лития), или фотолитография и электронно-лучевая литография для изготовления узорчатого резонатора на кристалле (для материалов на основе кремния).

Когда целое число длин волн материала соответствует окружности резонатора, резонансная волна возбуждается за счет конструктивной интерференции. В резонансе световое поле может быть усилено от нескольких сотен до нескольких миллионов раз, что определяется количественно Коэффициент утонченности резонатора[8]. Это также приводит к сверхвысокому фактор качества, что означает, что свет проходит по окружности много миллионов раз, прежде чем распасться на окружающую среду.[9][10].

Рекомендации

  1. ^ Fürst, J. U .; Стрекалов, Д. В .; Elser, D .; Aiello, A .; Андерсен, У.Л .; Marquardt, Ch .; Leuchs, G. (2011-03-15). "Квантовый свет от дискового резонатора в режиме шепчущей галереи". Письма с физическими проверками. 106 (11): 113901. arXiv:1008.0594. Bibcode:2011PhRvL.106k3901F. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.113901. PMID 21469862.
  2. ^ Яблонович, Эли (1987-05-18). «Ингибированное спонтанное излучение в физике твердого тела и электронике». Письма с физическими проверками. 58 (20): 2059–2062. Bibcode:1987PhRvL..58.2059Y. Дои:10.1103 / PhysRevLett.58.2059. PMID 10034639.
  3. ^ Fürst, J. U .; Стрекалов, Д. В .; Elser, D .; Aiello, A .; Андерсен, У.Л .; Marquardt, Ch .; Лейкс, Г. (27 декабря 2010 г.). "Низкопороговые оптические параметрические колебания в резонаторе в режиме шепчущей галереи". Письма с физическими проверками. 105 (26): 263904. arXiv:1010.5282. Bibcode:2010PhRvL.105z3904F. Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.263904.
  4. ^ Kippenberg, T. J .; Вахала, К. Дж. (2007-12-10). "Полостная оптомеханика". Оптика Экспресс. 15 (25): 17172–17205. arXiv:0712.1618. Bibcode:2007OExpr..1517172K. Дои:10.1364 / OE.15.017172. ISSN 1094-4087.
  5. ^ Аспельмейер, Маркус; Киппенберг, Тобиас Дж .; Марквардт, Флориан (30 декабря 2014 г.). «Полостная оптомеханика». Обзоры современной физики. 86 (4): 1391–1452. arXiv:1303.0733. Bibcode:2014РвМП ... 86.1391А. Дои:10.1103 / RevModPhys.86.1391.
  6. ^ Аспельмейер, Маркус; Мейстр, Пьер; Шваб, Кейт (июль 2012 г.). «Квантовая оптомеханика». Физика сегодня. 65 (7): 29–35. Bibcode:2012ФТ .... 65г..29А. Дои:10.1063 / PT.3.1640. ISSN 0031-9228.
  7. ^ Вахала, Керри Дж. (2003). «Оптические микрополости». Природа. 424 (6950): 839–846. Bibcode:2003Натура.424..839В. Дои:10.1038 / природа01939. ISSN 0028-0836. PMID 12917698.
  8. ^ Савченков Анатолий А .; Мацко, Андрей Б .; Ильченко, Владимир С .; Малеки, Лютня (28 мая 2007 г.). «Оптические резонаторы с десятью миллионами тонкости». Оптика Экспресс. 15 (11): 6768–6773. Bibcode:2007OExpr..15.6768S. Дои:10.1364 / OE.15.006768. ISSN 1094-4087.
  9. ^ Цзи, Синчэнь; Barbosa, Felippe A. S .; Робертс, Саманта П .; Датт, Авик; Карденас, Хайме; Окавати, Ёситомо; Брайант, Алекс; Гаэта, Александр Л .; Липсон, Михал (20.06.2017). «Встроенные резонаторы со сверхнизкими потерями и параметрическим порогом генерации менее милливатт». Optica. 4 (6): 619–624. arXiv:1609.08699. Bibcode:2017 Оптический ... 4..619J. Дои:10.1364 / OPTICA.4.000619. ISSN 2334-2536.
  10. ^ Armani, D. K .; Kippenberg, T. J .; Spillane, S.M .; Вахала, К. Дж. (Февраль 2003 г.). «Тороидальный микрополость сверхвысокой добротности на кристалле». Природа. 421 (6926): 925–928. Bibcode:2003Натура.421..925А. Дои:10.1038 / природа01371. ISSN 0028-0836.