张天才-张鹏飞团队在纳米光纤波导的本征振动模式测量方面取得重要进展

近日，量子光学与光量子器件国家重点实验室、光电研究所腔量子电动力学研究团队在纳米光纤波导的本征机械振动模式测量方面取得了重要进展。该团队与中国科学技术大学合作，在实验上利用近场散射的方法测量了亚波长尺度纳米光纤的高阶横向本征振动模式。该研究成果发表在Physical Review Letters上。[Lijun Song, Chenxi Wang, et al, Measurement of nanofiber mechanical flexural modes based on near-field scattering, Phys. Rev. Lett. 132, 033801 (2024)]。

微纳尺度光子学器件产生的倏势场可与周围介质进行相互作用，被广泛用于量子光学、非线性光学、近场光学、光力学等研究。这些研究在量子信息、精密测量和精密光学传感等领域具有重要的应用前景。具有亚波长直径的纳米光纤波导能对其内部传输的光场进行强束缚，使其表面形成强局域倏势场，因此可作为与原子及其阵列强耦合相互作用的有效手段。纳米光纤波导在结构上具有高纵横比，这使其具有高灵敏度、宽动态范围和低机械损耗等优点，因此纳米光纤波导也可作为一种优质的光机械传感器件。纳米光纤波导拥有横向、纵向、呼吸和扭转等四种不同的本征机械振动模态。一方面，这些本征振动模式可用于微纳尺度结构的弹性力学和光力学的研究。另一方面，纳米光纤波导的本征振动模式也可用于帮助减小机械振动模式对传输光场偏振和相位的影响，从而提升纳米光纤波导俘获原子的寿命。因此，纳米光纤波导机械和光学性质的精确表征对于从精密光学传感到量子技术等研究都至关重要。然而，迄今为止，纳米光纤波导的横向本征机械振动模式在实验上还没有被系统地表征（图1）。

图1(a)-(d)：纳米光纤波导第1、2、5、45阶横向本征机械振动模式示意图。

实验室研究团队在国内率先开展了基于纳米光纤波导的光子学器件及其与冷原子相互作用方面的实验研究。该团队克服了一系列技术困难，利用微光纤探针对纳米光纤波导的基本性质进行实验研究。首先，对纳米光纤直径进行了非破坏性测量 [Pengfei Zhang, et al, Optics Express, 26, 31500 (2018)]，为微纳尺度光子学结构的尺度标定提供了一种便捷和可靠的技术。其次，在实验上首次实现了对纳米光纤波导表面倏势场分布的表征[Pengfei Zhang, et al, JOSA B, 37, 1401 (2020)]。最近，研究团队利用近场散射和频谱测量的方法，首次实现了对高纵横比纳米光纤波导高阶横向机械振动模式的高灵敏增强测量，测得纳米光纤的机械振动模式超过320阶，振动频率达到1.6 MHz，最大增强倍数超过72 dB。

图2：（a）纳米光纤波导横向本征机械振动模式测量装置；（b）纳米光纤波导横向本征机械振动谱。

该团队建立了真空环境下的纳米光纤波导横向本征机械振动模式的测量系统（图2 a）。实验中纳米光纤波导与微光纤探针垂直放置，当两者间距为20 nm时，纳米光纤波导的机械振动引起近场散射损耗的起伏，从而使纳米光纤波导的透射光强发生变化。通过测量和分析透射光的频谱，即可获得纳米光纤波导的振动模式信息（图2 b），从而实现纳米光纤波导横向本征机械振动模式的超灵敏探测。纳米光纤波导横向本征机械振动增强测量的实现，对提升利用纳米光纤操控冷原子阵列的性能、开展基于纳米光纤系统的腔量子电动力学研究具有重要意义。这种测量高纵横比纳米光子学结构的方法有望用于波导电动力学、腔光力学和光学传感等领域。

该工作由张天才教授和张鹏飞教授带领的腔量子电动力学研究团队完成。课题组李刚教授、张强副教授和中国科学技术大学邹长铃教授参与了这项工作。论文的通讯作者为张鹏飞教授和张天才教授，博士生宋丽军和王晨曦为论文的第一作者，研究生胡裕栋、周静参与了该工作。该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、山西省“1331”工程重点学科建设基金、山西省基础研究计划、量子光学与光量子器件国家重点实验室（山西大学）以及省部共建极端光学协同创新中心（山西大学）的支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.033801