光学频率梳是具有确定梳齿频率间隔的光频标尺，在精密测量中发挥了极为重要的作用。近年来，一种基于光学微腔的新型芯片级光梳取得了突破性进展，其具备体积小、功耗低、精度高等优势，大大拓宽了传统桌面级精密光源的应用场景。目前，这种芯片级光梳已在超快激光雷达、光学频率合成、大容量相干光通信和精密光谱学等方向上展现了巨大潜力，因而对基础研究和产业应用都具有重要意义。然而，单个微腔光梳能够覆盖的光谱范围往往被色散以及收集效率限制，从而阻碍了其在光学原子钟、类地行星探寻、生物成像等重要领域的进一步应用。

本发明公开了一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置 及产生方法，包括泵浦激光、第一光放大器、第一分束器、光纤环、 光滤波器、合束器和光学微腔；第一放大器的输入端连接泵浦激光， 分束器的输入端连接至第一放大器的输出端；光纤环的一端连接至分 束器的第二输出端，光滤波器的输入端连接至光纤环的另一端，合束 器的第一输入端连接至分束器的第一输出端，合束器的第二输入端连 接至光滤波器的输出端，光学微腔的输入端连接至所述合束器

1.痛点问题 随着高端装备制造、工业机器人末端定位、工业产品尺寸检测等领域高速发展，亟需匹配大量程、高精度、高测速和基准可溯源的绝对距离检测能力，现有激光雷达和激光干涉等测距手段因其测量原理和性能限制，均无法满足要求。 2.解决方案 本项目团队经过十余年的技术攻关，成功研制了国内外首台具备自主知识产权的光频梳绝对测距仪器，实现了百米级量程、微米级精度和千赫兹级测速，并应用于高精度大尺寸三坐标测量。本项目成果可服务于飞机、船舶等装备制造，工业机器人末端定位、工业产品尺寸检测对高性能空间定位的迫切需求。预期形成光频梳绝对测距仪和光频梳三坐标测量仪等自主知识产权产品和配套解决方案。 技术创新： （1）提出基于光频梳的多外差干涉测距技术，解决传统干涉法难以进行高精度绝对距离测量的问题； （2）提出基于光频梳绝对测距的高精度三坐标测量技术，解决跟踪仪绝对定位能力不足的问题。 合作需求 （1）市场资源对接：有末端定位需求的机器人公司、有高精度距离和坐标测量需求的智能制造公司； （2）资本对接：聚焦关注高端装备、智能制造、光电产业领域的一线风险投资机构（非FA机构）； （3）技术合作：承接国家和省部级项目的企业，在专项中对精密测距和高精度坐标测量的需求，可与本团队联合项目攻关。

成果创新点 1.在光学微腔器件的晶体腔加工、PPLN 微腔加工、微 腔耦合与封装、微腔超高 Q 值检测方面，分别提出了先进 而完善的实施方案，并申请了相关发明专利。现有晶体微 腔 Q 值国内最高水平 106，国外达到 109，本项目可优于 108， 从而达到国内领先，国际先进水平。 2.在光学微腔器件应用方面，研发例如超窄线宽激光 器（精密测量、物理量精密传感）、超窄线宽滤波器（激 光技术

1.在光学微腔器件的晶体腔加工、PPLN 微腔加工、微腔耦合与封装、微腔超高 Q 值检测方面，分别提出了先进而完善的实施方案，并申请了相关发明专利。现有晶体微腔 Q 值国内最高水平 106，国外达到 109，本项目可优于 108，从而达到国内领先，国际先进水平。 2.在光学微腔器件应用方面，研发例如超窄线宽激光器（精密测量、物理量精密传感）、超窄线宽滤波器（激光技术）等小型化器件的技术原理和实现方案。与常规产品相比，体积可缩小至 500 立方厘米以下，精度可提高 2个量级，成本可下降 80%。成果可实现的光学微腔器件主要指标：研制出光学晶体微腔，Q 值优于 108，根据用户要求研制小型化应用模块。

项目针对腔镜微创器械结构复杂、精度与材料要求高等特点，设计出更灵（更灵活的腕部）、更小（直径小于10mm）、更巧（自动缝合）的腔镜微创器械。解决了受限空间下多自由度运动/力传递问题，实现了面向复杂操作的器械功能末端设计。

左图：表面二次谐波效应示意图；右图：光学微腔增强表面非线性效应。 二阶非线性光学效应是现代光学研究与应用中最基本、最重要的非线性光学过程之一，被广泛地用于实现频率转换、光学调制和量子光源等。由于结构反演对称性的限制，常用的硅基光子学材料往往不具备二阶非线性电偶极响应。借助材料的表面或界面，这种反演对称性可以被打破，进而诱导出二阶非线性光学响应。然而，传统的表/界面非线性光学研究存在两个重要挑战：一是非线性转换效率极低，即使在高强度的脉冲光激发下也仅能产生极少量的二阶非线性光子；二是体相电四极响应严重地干扰表面对称性破缺诱导的非线性信号分析。 该项工作中，北京大学课题组利用超高品质因子回音壁光学微腔极大增强光与物质相互作用的优势，在二氧化硅微球腔中获得了高亮度的二次谐波和二次和频信号。为了充分发挥微腔“双增强”效应，研究人员发展了一种动态相位匹配方法，利用光学微腔中热效应和光学克尔效应的相位调制，高效地实现了基波和谐波信号同时与微腔模式共振。实验上获得的二次谐波转换效率达0.049% W-1，相比传统表面非线性光学，该效率增强了14个数量级。左图：实验获得的激发光和二次谐波光谱图；右图：动态相位匹配过程二次谐波功率变化。 研究人员进一步通过对基波偏振和二次谐波模式场分布的测量分析，成功提取得到只有表面对称性破缺诱导的非线性信号，排除了体相电四极响应的干扰。这种表面对称性破缺诱导的非线性信号有望作为一种超高灵敏度的无标记“探针”，用来检测和研究材料表面分子的结构、排布、吸收等物理与化学性质，为表面科学研究与应用提供了一个全新的物理平台；同时，该项研究发展的动态相位匹配机制具有普适性，可进一步推广到不同材料、不同形状的光学谐振腔中，有望在非线性集成光子学中发挥重要作用。

北京大学物理学院肖云峰教授与龚旗煌院士领导的研究团队在微腔非线性光学研究取得重要进展：首次实现有机分子修饰的二氧化硅光学微腔的高效三次谐波产生，比此前报道的二氧化硅微腔转换效率提高了四个量级，接近晶体微环腔三次谐波的最高转换效率。成果被《物理评论快报》以封面及编辑推荐形式亮点报道：Phys. Rev. Lett. 123, 173902 (2019)。论文题为“Microcavity Nonlinear Optics with an Organically Functionalized Surface” (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.173902)。左图：二氧化硅微腔表面修饰有机共轭分子；右图：实验测得的激发光和三次谐波光谱图 三阶非线性光学效应是现代光学研究和应用中最重要的非线性光学过程之一，被广泛应用于实现光频梳、全光开关和量子光源等。二氧化硅回音壁微腔由于具有超高的品质因子和成熟的制备工艺，已经成为是现代光子学研究的重要器件。然而，由于材料的限制，二氧化硅三阶光学非线性响应较弱于多数晶体材料，这严重地制约了二氧化硅微腔器件的性能。另一方面，有机共轭小分子具有离域的电子系统，在光场激发下，离域电子表现出很强的非谐振动，从而具有很高的非线性响应系数。同时，回音壁微腔的表面倏逝场为微腔与外界物质相互作用提供天然的通道。因此，采用表面修饰技术，光学微腔和高非线性响应的有机分子形成连结；有机分子通过表面倏逝场作用，有效地调控微腔系统的非线性效应，从而提高微腔器件的性能甚至可能突破微腔材料的限制。 在该项工作中，研究团队通过采用两步反应法，实现了二氧化硅微腔表面均匀地修饰有机分子层，既有效增强了微腔表面三阶非线性系数，同时保持了腔的高品质因子特性。实验中，研究者采用最近发展的动态相位匹配技术，即基于腔克尔效应和热效应补偿非线性频率转换过程中本征的相位失配，实现泵浦光和谐波频率与热腔模频率的共振匹配，最终实验上观测到三次谐波转换效率达到1680%/W2，比之前报道的二氧化硅微腔的最高转换效率提高了四个量级，接近目前晶体微环腔转换效率的最高值。研究者进一步地在实验上揭示了三次谐波的增强来自表面修饰的有机分子：微腔三次谐波/合频转换效率显著依赖于泵浦光偏振，平均输出功率对比度达到50倍，这是由于有机分子偶极取向导致的偏振依赖响应。该工作采用的表面修饰技术和动态相位匹配方法可以普适地推广到其它微腔和光波导等体系中，在宽带可调谐非线频率转换和表面科学研究中发挥重要作用。

本发明公开了一种采用移相梳状滤波阵列的光子型数字微波测频方法及装置。载波抑制型单边带调制下，待测微波信号加载到一个连续激光光源上生成单个光边带，然后输入到移相梳状滤波阵列中；该滤波阵列包含N个并行的梳状滤波响应，其中自由频谱区均为FSR且相邻梳状滤波响应的相对相移量为π/N；对N个梳状滤波响应及参考臂的输出光功率进行检测、对比和判决后，获得N比特数字编码的测频结果，其测频范围和分辨率分别为FSR和FSR/(2N)。同时，给出了以单个高双折射元件构建移相梳状滤波阵列的具体装置。本发明既具有光子型技术的优点，又易与各种数字接收处理设备融合和兼容，应用前景十分广泛。

北京大学物理学院“科技部极端光学创新研究团队”肖云峰研究员和龚旗煌院士领导的课题组利用超高品质因子回音壁模式光学微腔，极大地增强了表面对称性破缺诱导的非线性光学效应，得到的二次谐波转换效率提升了14个数量级。相关研究成果在线发表在《自然•光子学》(Nature Photonics)上，文章题为“Symmetry-breaking-induced nonlinear optics at a microcavity surface”。左图：表面二次谐波效应示意图；右图：光学微腔增强表面非线性效应。 二阶非线性光学效应是现代光学研究与应用中最基本、最重要的非线性光学过程之一，被广泛地用于实现频率转换、光学调制和量子光源等。由于结构反演对称性的限制，常用的硅基光子学材料往往不具备二阶非线性电偶极响应。借助材料的表面或界面，这种反演对称性可以被打破，进而诱导出二阶非线性光学响应。然而，传统的表/界面非线性光学研究存在两个重要挑战：一是非线性转换效率极低，即使在高强度的脉冲光激发下也仅能产生极少量的二阶非线性光子；二是体相电四极响应严重地干扰表面对称性破缺诱导的非线性信号分析。 该项工作中，北京大学课题组利用超高品质因子回音壁光学微腔极大增强光与物质相互作用的优势，在二氧化硅微球腔中获得了高亮度的二次谐波和二次和频信号。为了充分发挥微腔“双增强”效应，研究人员发展了一种动态相位匹配方法，利用光学微腔中热效应和光学克尔效应的相位调制，高效地实现了基波和谐波信号同时与微腔模式共振。实验上获得的二次谐波转换效率达0.049% W-1，相比传统表面非线性光学，该效率增强了14个数量级。左图：实验获得的激发光和二次谐波光谱图；右图：动态相位匹配过程二次谐波功率变化。 研究人员进一步通过对基波偏振和二次谐波模式场分布的测量分析，成功提取得到只有表面对称性破缺诱导的非线性信号，排除了体相电四极响应的干扰。这种表面对称性破缺诱导的非线性信号有望作为一种超高灵敏度的无标记“探针”，用来检测和研究材料表面分子的结构、排布、吸收等物理与化学性质，为表面科学研究与应用提供了一个全新的物理平台；同时，该项研究发展的动态相位匹配机制具有普适性，可进一步推广到不同材料、不同形状的光学谐振腔中，有望在非线性集成光子学中发挥重要作用。 研究论文的共同第一作者是张雪悦和曹启韬同学，现分别在美国加州理工学院应用物理系和北京大学物理学院攻读博士学位，通讯作者为肖云峰研究员。论文合作者包括新加坡国立大学仇成伟教授和王卓博士、清华大学刘玉玺教授、圣路易斯华盛顿大学杨兰教授等。 研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等的支持。