高丽大学研究团队利用金属镜开发光学谐振器
无需复杂微加工即可束缚光，有望应用于下一代光学器件
一项新技术利用厚度仅为头发丝直径千分之一的超薄材料，在转换光波长时将产生的光强提高约12万倍。该技术无需复杂的微加工，只需堆叠薄膜即可构建束缚光的结构，有望应用于下一代光学器件和量子光学技术。
高丽大学表示，该校物理系 Park Gyuhwan、Gong Suhyeon教授研究团队利用厚约55纳米（nm，1纳米为10亿分之一米）的二硫化钼（MoS₂），开发出一种可提升光波长转换性能的光学谐振器。研究成果发表于国际学术期刊《Nature Communications》上月24日刊。
金属基超薄谐振器的工作原理与临界耦合设计图。利用金属表面反射光的相位变化，即使薄膜厚度远低于传统水平，也能实现束缚光的“零阶谐振”，其原理如图a、b所示。研究还提出了设计准则，可根据材料的折射率和吸收特性选择最优谐振器结构，如图c所示。研究团队供图
View original image研究团队关注的是“二次谐波”现象。光与特定材料相互作用时，会产生一种新光，其频率是原光的两倍、波长则为原光的一半。本次研究将人眼不可见、波长为910纳米的近红外光转换成波长为455纳米的蓝色可见光。
问题在于，材料越薄，光与物质相互作用的机会就越少，光转换为目标波长的效率也会下降。为解决这一问题，人们一直采用能将光束缚在内部的光学谐振器，但传统方法存在局限：要么需要精细的微加工，要么必须根据材料重新设计结构。
研究团队利用了光在金属镜面反射时发生的相位变化。相位指构成光的波在周期中的位置。适当调节光的相位，就能利用不同光波相互增强或抵消的现象。
研究团队借助这一原理，构建出即使在极薄的膜中也能束缚光的谐振结构。此外，他们还采用了可最大限度减少入射光再次反射的“临界耦合”条件，从而增强光与材料之间的相互作用。
研究团队合影。（从左至右）高丽大学物理学系教授 Park Gyuhwan（通讯作者）、教授 Gong Suhyeon（通讯作者）、博士 Lee Sunjae（共同第一作者）、硕博连读生 Jeong Haeseok（共同第一作者）。高丽大学供图
View original image实验中，研究团队将半透明金属镜与厚约55纳米的二硫化钼结合。结果显示，在特定条件下，入射光的反射受到抑制；与单层二硫化钼材料相比，产生的二次谐波强度约提高了12万倍。
这项研究的意义不仅在于单纯提高光强。研究团队还根据材料的折射率和吸光特性，提出了用于确定合适谐振器结构的设计准则。这表明，无需加工复杂的纳米结构，也有望为多种超薄材料设计适配的光学谐振器。
研究团队期待，这项技术未来可应用于波长转换光学器件、光学传感器以及量子光学等领域。
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