高性能的相干光源是基础光物理研究和集成光子学应用的关键前提之一。近年来，具有超高品质因子的回音壁模式光学微腔已经成为研究各种新型高效光源的重要平台，实验上已经获得了包括宇称-时间反演对称激光、轨道角动量激光和微腔光学频率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征对称性导致腔中激光场通常是等强度相向传输的，严重阻碍了诸多光子学器件应用的发展，例如单向光发射、全光寄存器和非互易光传输等。迄今，要获得具有单向性的回音壁微腔手征激光，通常需要直接打破光学谐振腔的几何手征对称性。这种方法得到的激光方向性是固定的，难以动态调控其出射性质，且对谐振腔的形状设计和工艺制备要求较高。

自发对称性破缺是指物理系统保持原本的对称性，而其却选择了另一种不具备对称性的状态，它是很多相变过程和非互易系统的基本原理，例如，弱相互作用的宇称不守恒和希格斯机制均是自发对称性破缺的著名例子。回音壁模式光学微腔由于其固有的旋转对称性，可以支持一对简并的沿顺时针和逆时针传播的行波模式；同时，它具有超高的品质因子和很小的模式体积，可以极大地增强光和物质的相互作用，是研究对称性物理和非线性光学的理想平台。研究团队利用光学克尔效应，使微腔中相向传播、相等强度的行波光场之间发生交叉相位调制，从而产生了非线性耦合。因此，通过控制输入光强可以将这对行波场之间的等效耦合强度调制为零，使得系统中原本的对称状态不再稳定，自发地分裂为两个非对称的状态，实现了光场的自发对称性破缺。采用具有相同强度和偏振的双向输入光，来激发芯片上圆形微腔中的超高品质因子回音壁模式。当输入光功率很小时，系统状态保持原本的对称性，表现为顺时针和逆时针行波场的强度相等；随着输入光功率的增强，由交叉克尔效应引起的非线性耦合强度随之变大，当功率达到一定阈值（百微瓦量级）之后，系统会随机地进入一个顺时针倾向或逆时针倾向的状态，表现为自发对称性破缺。实验上，每个破缺状态中行波强度之比超过了20:1，实验数据与严格理论解析结果吻合。

二阶非线性光学效应是现代光学研究与应用中最重要的非线性光学过程之一。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，传统的表非线性光学效应转换效率极低，且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。在本项研究工作中，课题组人员利用超高品质因子回音壁光学微腔在实验上获得了高亮度的二次谐波和二次和频信号。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相比传统表面非线性光学增强了14个数量级。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。

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。

可以用来设计优化光学谐振腔。不仅可以模拟谐振腔特性，而且软件可以计算热透镜效应、失调、色散、Gouy 相移、简并度等对光束半径和光腔模式的影响。软件同时可以用于设计给定要求的激光腔,比如给定在特定位置的模式大小,最小灵敏度，热透镜效应和失调、最小畸变的光束质量等。 ABCDEF矩阵算法： RP Resonator 的计算是基于一个扩展的 ABCDEF 矩阵算法。与通常使用的 ABCD 矩阵算法相比，它不仅可以进行模式半径的计算，也能计算由于腔镜失调所造成的光束位置改变。 另外，它也可以处理与波长相关的折射，比如在棱镜中的折射，在锁模激光器的谐振腔里，其色散补偿是通过一个棱镜来完成。该软件可以计算不同波长的光程和由此而产生的色散。 直线腔和环形腔也可以和从激光谐振腔里输出的光束一样被当作单程传播来处理。对于环形腔，光束的路径可以自动闭合，也就是说，第一个和最后一个镜子的取向及它们之间的路径长度可以自动计算。由此产生的设置可以图形化地显示，以立即识别可能的错误输入。 具体功能与应用： ——分析已有的谐振腔设计，如检查其稳定区域、准直特性、色散效应等。 ——使复杂的谐振腔设计优化工作变得容易，如优化激光器性能。 精炼研究人员对谐振腔的理解。如通过数值模拟演示各种参数。 ——软件带有非常强大的脚本语言并伴随有脚本向导功能，很容易的通过填表格的形式（简单的输入数字或数学公式）生成大段的脚本代码。 ——脚本语言的强大意味着更丰富的灵活性。例如，用户可以定义含有多个激光晶体的光腔模型等。 ——与其它类似的软件相比，RP Resonator 允许用户将谐振腔特性参数化。这意味着用户可以使用数学表达式定义，而不是仅仅只能定义简单的参数如腔长、反射镜曲率半径等。在生成的图像中，用户也可以观察不同位置的光腔特性。与脚本语言相结合，用户开发过程中会拥有极大的灵活性。而这功能是在其它类似软件中很难找到的。   非常适合以下机构: ——开发激光器、参量振荡器，或包含无源光学谐振腔的器件的工业公司 ——详细具体研究这些设备各个方面功能原理的研究实验室 ——教导人们对此类设备形成牢固技术理解的教育机构     在任何情况下，RP Resonator 都将为您提供实质性的竞争优势，因为您的工作将更加有效和高效：您将能够快速可靠的知道谐振腔的功能特性以及改进它们的方式。

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。

利用周期性共振光脉冲序列导致的自旋依赖布居数耗散、射频场耦合下的自旋拉比振荡、以及Feshbach共振调制下的相互作用控制，在一个量子系统中同时实现了精密调控耗散、相干和相互作用三大要素，为实现宇称-时间对称的非厄米哈密顿量的量子模拟奠定了技术基础。       实验结果不仅精确地复现了在经典系统中已经观测到的静态哈密顿量的宇称-时间对称性破缺，还利用周期性耗散机制发现了在任意小耗散下的宇称-时间对称性破缺，观察到系统的能量可以在极其微小的耗散下发生不可逆的发散。不同于以往静态哈密顿量的单参数相变，周期性耗散驱动的宇称-时间对称性的相图在频率的参数空间实现延拓，在特定的频率区间，宇称-时间对称性对于耗散有极其敏感的响应。这个现象之前只有理论预言，而罗乐教授小组首次在绝对零度之上500纳开尔文的超冷费米气体中首次观测到。同时这项工作还发现了对称性破缺点附近的慢衰变模式、类比于多光子跃迁的高阶PT对称性破缺等新颖有趣的物理现象。       目前，罗乐教授研究团队正基于非厄米量子体系研究宇称-时间对称哈密顿量的拓扑量子态转换、耗散下的量子相干态保持、以及高阶奇异点附件的超灵敏能谱响应。这些研究将为基于开放量子系统的量子计算和量子精密测量开拓新的前沿。