以色列开发出新型光学谐振腔，打破世界纪录

近期据Physical Review X报道，以色列理工学院研究生Jacob Kher-Alden在Tal Carmon教授的指导下开发了一种新型光学谐振腔，该谐振腔在共振增强方面打破了原先的世界纪录。

谐振腔是一种捕获波并通过将其从一个壁反射到另一个壁来增强或回波的设备，该过程称为共振增强。如今，世界各地有各种各样复杂而精密的谐振腔，以及广泛使用的简单谐振腔。事实上，谐振腔是光学中最重要的器件之一。“它是光学的晶体管，”Carmon教授解释说。

一般而言，谐振腔至少需要两块反射镜才能使反射光倍增。但实际上，谐振腔内可以容纳两块以上的镜子。例如使用三块反射镜以三角形反射光，用四块反射镜以四边形反射光，也可以将许多反射镜布置在一个几乎圆形的形状，以便光循环。在从物理学到工程学应用中，问题出现了，如何产生一个共振器，尽可能接近一个干净光滑的球体，并为最佳共振提供最大的旋转次数。这是一个挑战，已经吸引了许多研究小组参与其中并取得了成果，其中包括一个球形或环形的微小玻璃谐振腔，它被固定在一条狭窄的光纤旁边。2年前，Carmon教授在《自然》杂志上已经提出。

在这里仍有改进的空间，因为即使固定球体的茎杆也会在其球体形状中产生变形。因此，研究人员就产生了没有任何实物支撑的浮动谐振腔的想法。世界上第一个微谐振腔是由2018年诺贝尔物理学奖得主Arthur Ashkin在1970年代演示的，当时他展示了一个浮动谐振腔。尽管取得了成果，但研究很快没有持续下去。现在受Arthur Ashkin开创性工作的启发，新的浮动谐振腔显示了1000万次光循环的共振增强，相比之下，最初的谐振腔只有300次光循环。

在由反射率高达99.9999%的镜面组成的谐振腔中，光会旋转大约一百万圈。Carmon教授表示：“如果我们使用一瓦功率的光，类似于手机上的闪光灯的光，并且允许它在这些镜子之间来回旋转，那么光功率将被放大，约为一百万瓦。例如，我们可以利用高光输出来激发镜子之间区域的各种光物质。”

实际上，一百万瓦是由在物质中来回传播的同一光粒子构成的，但物质并不“知道”在物质中反复移动的是同一光粒子，因为光子是难以区分的。它只会“感觉”到强大的力量。在这种类型的装置中，百万瓦特穿过多小的横截面面积至关重要。事实上，由Kher Alden开发的装置可以进行1000万次循环，其中的光线会聚在比头发横截面小1万倍的光束区域上。通过这种方式，Kher Alden在光的共振增强方面取得了世界纪录。

据悉，以色列理工学院研究人员开发的谐振器，是由一小滴直径约20微米的高透明液滴制成。研究人员使用了一种称为“光学镊子”的技术，液滴可以利用光保持在空中。此技术用于在没有材料支撑的情况下将液滴固定在空气中，这可能会损坏其球形形状或弄脏液滴。Carmon教授说：“这项新颖的光学发明，即光学镊子在生命科学、化学、微流设备中得到了广泛的应用。本研究表明光学镊子在光学工程领域具有巨大的潜力。”

液滴的微小尺寸还提高了球形完整性，因为重力几乎不会使液滴变形，相对于液体界面上赋予球形的表面张力，液滴在这些尺寸上是微不足道的，而张力使液滴呈球形。在研究人员开发的独特系统中，液滴被激光束托住，接受来自另一根光纤的光，另一根光纤在通过谐振腔后也接收回光。

基于返回光纤的光的特性，研究人员可以知道液滴内部发生了什么。例如研究人员可以关闭进入谐振腔的光，并检查光子在衰减之前在谐振腔中存活多久。基于这些数据和光速，他们可以计算出光子在液滴中平均旋转的次数。实验结果显示：通过约1微米平方的横截面，光放大了1000万圈，增加了1000万倍。