“Physical Review X”最近報(bào)道了以色列理工學(xué)院的一種新型光學(xué)諧振腔，該諧振腔在諧振增強(qiáng)方面是空前的。在Tal Carmon教授的指導(dǎo)下，由研究生Jacob Kher-Alden開發(fā)，這個(gè)技術(shù)誕生的諧振腔在共振增強(qiáng)方面具有破紀(jì)錄的能力。

諧振腔是一種捕獲波并通過將其從一個(gè)壁反射到另一個(gè)壁來增強(qiáng)或回波的設(shè)備，該過程稱為共振增強(qiáng)。如今，世界各地有各種各樣復(fù)雜而精密的諧振腔，以及廣泛使用的簡單諧振腔。

實(shí)驗(yàn)裝置圖

事實(shí)上，諧振腔是光學(xué)中最重要的器件之一：“它是光學(xué)的晶體管，”Carmon教授說。

一般而言，諧振腔至少需要兩個(gè)反射鏡才能使反射光倍增。但是它們也可以容納兩個(gè)以上的鏡子。例如，可以使用三個(gè)反射鏡以三角形反射光，以正方形反射四個(gè)，依此類推。也可以將許多反射鏡布置在一個(gè)幾乎圓形的形狀，以便光循環(huán)。在從物理學(xué)到工程學(xué)的運(yùn)動中，問題出現(xiàn)了，如何產(chǎn)生一個(gè)共振器，盡可能接近一個(gè)干凈、光滑的球體，并為最佳共振提供最大的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這是一個(gè)挑戰(zhàn)，已經(jīng)吸引了許多研究小組參與其中，并取得了成果，其中包括一個(gè)球形或環(huán)形的微小玻璃諧振腔，它被固定在一條狹窄的光纖旁邊。兩年前，Carmon教授在《自然》雜志上已經(jīng)提出。

在這里，仍有改進(jìn)的空間，因?yàn)榧词构潭ㄇ蝮w的莖桿也會在其球體形狀中產(chǎn)生變形。因此，就產(chǎn)生了沒有任何實(shí)物支撐的浮動諧振腔的想法。

世界上第一個(gè)微諧振腔是由2018年諾貝爾物理學(xué)獎得主Arthur Ashkin在上世紀(jì)70年代演示的，他展示了一個(gè)浮動諧振腔。盡管取得了成果，但研究方向很快就被放棄了�，F(xiàn)在，受Arthur Ashkin開創(chuàng)性工作的啟發(fā)，新的浮動諧振腔顯示了1000萬次光循環(huán)的共振增強(qiáng)，相比之下，Ashkin的諧振腔只有300次光循環(huán)。

懸浮共振腔

在由反射率高達(dá)99.9999%的鏡面組成的諧振腔中，光會旋轉(zhuǎn)大約一百萬圈，即“往返”。根據(jù)Carmon教授的說法，“如果我們使用一瓦功率的光，類似于手機(jī)上的閃光燈的光，并且允許它在這些鏡子之間來回旋轉(zhuǎn)，那么光功率將被放大。功率約為一百萬瓦。例如，我們可以利用高光輸出來激發(fā)鏡子之間區(qū)域的各種光物質(zhì)相互作用。”

實(shí)際上，一百萬瓦是由在物質(zhì)中來回傳播的同一光粒子構(gòu)成的，但物質(zhì)并不“知道”在物質(zhì)中反復(fù)移動的是同一光粒子，因?yàn)楣庾邮请y以區(qū)分的。它只會“感覺”到強(qiáng)大的力量。在這種類型的裝置中，百萬瓦特穿過較小的橫截面面積也是很重要的。事實(shí)上，由Kher-Alden開發(fā)的裝置可以進(jìn)行1000萬次循環(huán)，其中的光線會聚在比頭發(fā)橫截面面積小1萬倍的光束區(qū)域上。通過這種方式，Kher-Alden在光的共振增強(qiáng)方面取得了世界紀(jì)錄。

以色列理工學(xué)院研究人員開發(fā)的諧振器是由一小滴直徑約20微米的高透明液滴制成的。使用一種稱為“光學(xué)鑷子”的技術(shù)，液滴可以利用光保持在空中。此技術(shù)用于在沒有材料支撐的情況下將液滴固定在空氣中，這可能會損壞其球形形狀或弄臟液滴。Carmon教授說：“這項(xiàng)新穎的光學(xué)發(fā)明，即光學(xué)鑷子，在生命科學(xué)、化學(xué)、微流設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究表明光鑷在光學(xué)工程領(lǐng)域具有巨大的潛力。”

液滴的微小尺寸還提高了球形完整性，因?yàn)橹亓�幾乎不會使液滴變形，因�(yàn)橄鄬τ谝后w界面上賦予球形的表面張力，液滴在這些尺寸上是微不足道的，而張力使液滴呈球形。在研究人員開發(fā)的獨(dú)特系統(tǒng)中，液滴被激光束托住，接受來自另一根光纖的光，另一根光纖在通過諧振腔后也接收回光。

基于返回光纖的光的特性，研究人員可以知道液滴內(nèi)部發(fā)生了什么。例如，他們可以關(guān)閉進(jìn)入諧振腔的光，并檢查光子在衰減之前在諧振腔中存活多久�；�于這些數(shù)據(jù)和光速，他們可以計(jì)算出光子在液滴中平均旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了光放大的世界紀(jì)錄：通過約1微米平方的橫截面，光放大了1000萬圈，增加了1000萬倍。