F-P微腔的基本原理 法布里-珀羅光學(xué)微腔及其應(yīng)用

法布里-珀羅（F-P）微腔作為基礎(chǔ)的光學(xué)諧振器，因其結(jié)構(gòu)設(shè)計方法成熟、品質(zhì)因子高等特性，在近現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域中具有舉足輕重的地位。近年來，隨著微納加工技術(shù)的不斷成熟，F(xiàn)-P微腔進入了一個新的發(fā)展階段，其結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出集成化、多樣化、功能定制化的特點，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到進一步拓展。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點實驗室、上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、上海節(jié)能鍍膜玻璃工程技術(shù)研究中心和中國科學(xué)院大學(xué)的科研團隊在《光學(xué)學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“法布里-珀羅光學(xué)微腔及其應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者為劉清權(quán)，通訊作者為王少偉研究員和陸衛(wèi)研究員。

本文總結(jié)了近20年來F-P微腔在光場調(diào)控領(lǐng)域的研究進展，重點介紹了基于F-P微腔的分光結(jié)構(gòu)及光譜探測應(yīng)用、F-P微腔中光子與低維材料相互作用的研究，以及F-P微腔在參數(shù)精密測量、生物檢測、多維光場調(diào)控等方面的潛在應(yīng)用，并對未來F-P微腔的發(fā)展及新的應(yīng)用前景進行了展望。

F-P微腔的基本原理

在介紹F-P微腔的前沿應(yīng)用之前，首先對其基本光學(xué)原理進行簡要介紹。

F-P微腔的基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，由兩面反射鏡M1、M2和中間腔層構(gòu)成。設(shè)光的傳輸方向由上往下，反射鏡的透射系數(shù)分別為t??、t??、t??、t??，反射系數(shù)分別r??、r??、r??、r??，其中下標(biāo)1、2代表反射鏡M1、M2，上標(biāo)+、-代表光的傳輸方向。

圖1 F-P微腔的基本原理

早期用于F-P濾光片的反射鏡一般選用金屬，然而由于金屬吸收高，導(dǎo)致透過率低。20世紀(jì)70年代發(fā)展起來了一種分布式布拉格發(fā)射鏡（DBR），由折射率不同的兩種材料交替組成，其高反射的原理可以用光子晶體理論來解釋：在周期勢的作用下，光子能帶會被打開，形成光子帶隙，不允許相應(yīng)頻率的光在周期介質(zhì)內(nèi)傳輸，從而實現(xiàn)高反射率。交替介質(zhì)薄膜一般選用無吸收介質(zhì)，光在其中傳輸損耗極小，并且反射率也能比金屬高（對于無吸收的理想介質(zhì)而言，其反射率能無限接近1），因此，用DBR做反射鏡的F-P濾光片［又稱全介質(zhì)濾光片，如圖1（c）所示］能實現(xiàn)更窄的透射光譜峰帶寬和更高的透過率。圖1（b）給出了金屬F-P濾光片和全介質(zhì)F-P濾光片的透過率理論計算結(jié)果，給讀者更直觀的理解。這里，金屬F-P濾光片的透射半峰全寬為14 nm，透過率僅30%，而全介質(zhì)F-P濾光片的半峰全寬要小一個數(shù)量級可窄至1.4 nm，而透過率則高達(dá)92%。美中不足的是，全介質(zhì)F-P濾光片的截止帶寬有限，但是可以通過疊加截止帶膜系來增加截止帶寬，理論上，通過優(yōu)化的多層膜系，可以實現(xiàn)不同設(shè)計要求帶寬的帶通濾光片，這屬于薄膜光學(xué)的領(lǐng)域，有興趣的讀者可翻閱相關(guān)文獻。

除了對透射與反射光譜進行調(diào)控外，F(xiàn)-P微腔對光場的調(diào)控也是值得關(guān)注的一部分。圖1（d）展示了利用傳輸矩陣法計算得到的上述全介質(zhì)F-P微腔中的電場分布，虛線內(nèi)代表2L的光學(xué)腔，光在腔中來回反射形成共振，使得腔中部分區(qū)域處的電場急劇放大，這為光與物質(zhì)相互作用提供了一個非常優(yōu)異的條件和平臺。

基于F-P微腔的新型分光結(jié)構(gòu)及光譜探測應(yīng)用

波長是光的基本屬性之一。單一波長的光可作為信息的載體，是光通信和量子通信的基礎(chǔ)。而將光線中不同波長的光進行逐一探測分析，則形成了另一個學(xué)科——光譜分析。由于不同的分子或原子會吸收或發(fā)射不同波長的光，通過檢測物質(zhì)的光譜，便能獲得物質(zhì)的成分信息。光譜探測有著快速、非接觸、無損/無創(chuàng)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、農(nóng)業(yè)、海洋等諸多領(lǐng)域。

光譜分光是F-P微腔的重要應(yīng)用之一，相較于光柵、棱鏡等色散型的分光器件，F(xiàn)-P微腔的光譜分辨率與自由空間距離無關(guān)，可與探測器零距離集成，能極大地減小光譜儀器的體積和質(zhì)量。本節(jié)將介紹基于F-P微腔新型分光結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括線性漸變?yōu)V光片、集成F-P濾光片，以及基于F-P微腔的重構(gòu)型光譜儀等。

線性漸變?yōu)V光片

線性漸變?yōu)V光片（LVF）是一種光譜特性會隨位置線性變化的濾光片，有帶通、高通、低通等類型。而線性漸變F-P濾光片是一種窄帶通道隨位置線性變化的濾光片，可用于成像光譜儀中。線性漸變F-P濾光片的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過非均勻的薄膜沉積手段來改變薄膜厚度，使得不同位置處的透射峰位不同。與集成F-P濾光片相比，線性漸變F-P濾光片無需光刻、刻蝕等微納制備工藝，制備方式簡單，通道數(shù)量極多（取決于探測器的規(guī)模），但其缺點在于透射帶寬會有一定展寬（約為集成F-P濾光片的7~10倍），透過率較低，透射峰位之間難以按需任意定制且存在相互串?dāng)_問題。

圖2 線性漸變F-P濾光片示意圖

LVF的發(fā)展比集成F-P濾光片早許多。早在20世紀(jì)80年代，美國Hughes Santa Barbara研究中心便開始LVF的研制工作，在1989年進行成像演示論證，并在1992年進行機載實驗。該LVF與64×128元像素規(guī)模的硅探測器組裝，能獲取64個光譜波段和128個空間像元，光譜范圍為400~1030 nm，光譜通道帶寬為 0.5%~3%。1997年，美國加利福尼亞州光知識系統(tǒng)公司報道了第一個工作在熱紅外（7.5~14 μm）的LVF，該濾光片與20×64像元的Si：As探測器組裝，制備光譜成像探測器，工作溫度為10 K，光譜帶寬為100 nm。2000年左右，美國OCLI公司推出了商品化的Micropac系列光譜儀，儀器的工作波段為可見近紅外區(qū)域（400~700 nm和600~1100 nm），光譜帶寬小于2.5%。該系列可能是首款使用LVF的高光譜相機。2001年，美國Raheon Santa Barbara Remote Sensing研制了基于LVF的紅外成像光譜探測系統(tǒng)，光譜范圍為3.45~14.08 μm，光譜分辨率約10?? nm?1（10 μm處）。隨后，印度空間研究中心、法國國家太空研究中心、加拿大航天局、歐洲空間研究與技術(shù)中心（ESTEC）、法國巴黎天文臺等多國研究機構(gòu)相繼展開對LVF及其成像光譜儀的研究。

2002年，我國清華大學(xué)首先對基于LVF的成像光譜儀進行了理論設(shè)計的報道，同年，南開大學(xué)對LVF的成像光譜儀進行了原理性驗證。2006年，同濟大學(xué)王占山等與日本株式會社光馳合作，共同研究了多種LVF的制備工藝。2007年，蘭州物理研究所羅崇泰等也對LVF的制備工藝進行了深入研究。2015年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的張建采用雙離子束濺射物理沉積方法制備了高透過率、高色散系數(shù)的LVF。其光譜范圍為650~1050 nm，峰值透過率均達(dá)到85%以上，中心波長的線性變化率為20 nm/mm。隨后，該研究所的研究人員利用LVF分別實現(xiàn)了手持式近紅外光譜儀、人體血紅蛋白無創(chuàng)分析儀的研制。2021年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的劉春雨團隊研制了一款工作波段為400~1000 nm、地面分辨率為10 m、平均光譜分辨率為8.9 nm、系統(tǒng)總質(zhì)量為7 kg的輕小型星載高光譜成像光譜儀。同年，該團隊又公布了使用多片LVF與探測器拼接技術(shù)的高分辨率大幅寬高光譜相機，該相機在500 km軌道處幅寬為150 km，質(zhì)量為9.2 kg。隨著鍍膜工藝及探測器技術(shù)的進步，基于LVF的光譜儀器不斷朝著更小型化、分辨率更高的目標(biāo)發(fā)展。

集成F-P濾光片及制備方法

單一的F-P微腔只有一個透射波長，若想獲得多個透射波長，實現(xiàn)多光譜或高光譜探測，則需將多個不同腔長的F-P濾光片集成于一體，即集成F-P濾光片，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)在微型光譜儀、多/高光譜成像儀中有著廣泛的應(yīng)用價值。集成F-P濾光片的難點在于多個不同厚度中間腔層的高效制備，本節(jié)將從工藝制備的角度闡述集成F-P濾光片的發(fā)展現(xiàn)狀。

圖3 集成F-P濾光片示意圖

2000年，荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的Correia等在CMOS探測表面制備了集成金屬F-P微腔結(jié)構(gòu)（Al-SiO?-Ag），通過光刻刻蝕的方法改變SiO?層的厚度，從而獲得一系列不同的窄帶光透射。該器件的光譜通道數(shù)為16個，光譜范圍為225~300 nm，半峰全寬為18 nm，相對帶寬（δλ/λ）約6%。

2003年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的王少偉等提出通過改變?nèi)橘|(zhì)F-P微腔層厚度獲得集成F-P濾光片的方法，并于2004年進行了實驗驗證。2006年和2007年，該團隊又分別提出組合刻蝕和組合沉積的方法，實現(xiàn)了中波紅外和近紅外的全介質(zhì)集成濾光片的制備，如圖4所示。其中，圖4（a）為組合刻蝕法示意圖，只需通過N次刻蝕便可獲得2N個通道，組合沉積的原理類似，該方法可極大地提升多通道光學(xué)腔的制備效率和成品率。圖3（b1）~3（b2）為中波紅外集成濾光片，該器件光譜通道數(shù)為16個，光譜范圍為2.5~2.9 μm，半峰全寬為13 nm，相對帶寬為0.5%。圖4（c1）~4（c2）為近紅外集成濾光片，只需7次組合刻蝕就能使光譜通道數(shù)達(dá)到128個，光譜范圍為72~880 nm，半峰全寬為1.2 nm，相對帶寬達(dá)到0.2%。該新模式分光器件無需任何色散距離，可與探測器完全匹配甚至一體化構(gòu)成微型光譜儀，結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活，去掉了整個復(fù)雜的分光系統(tǒng)，很好地解決了傳統(tǒng)分光方式集成度與光譜分辨率之間的矛盾。該技術(shù)已成功用于2016年實踐十號衛(wèi)星上植物的多光譜熒光成像探測，實現(xiàn)了新概念分光器件的首次航天應(yīng)用驗證。

圖4 全介質(zhì)集成F-P濾光片

2007年，同濟大學(xué)焦宏飛與王少偉等合作，利用組合刻蝕的方法，制備了集成雙腔F-P濾光片，通道數(shù)為32，光譜范圍為0.77~0.85 μm，帶寬約為8 nm。相比于單腔F-P濾光片，雙腔F-P濾光片具有更好的帶通矩形度和更高的帶外截止效果。雖然組合刻蝕/沉積方法能在很大程度上提高多通道集成F-P濾光片的制備效率，但是仍然需要多次的對準(zhǔn)、刻蝕/沉積工藝，這也會降低集成F-P微腔的制備效率。為了更快速、廉價地完成集成F-P濾光片的制備，2013年，德國卡塞爾大學(xué)Meinl課題組提出利用納米壓印的方法實現(xiàn)多個腔層的制備。納米壓印制備多腔集成F-P濾光片的方法如圖5（b）所示，它有著簡單、高效、低成本等優(yōu)點，可一次性完成多個腔層的制備，并且沒有光學(xué)曝光中的衍射現(xiàn)象，能實現(xiàn)高分辨圖像的加工。借助納米壓印技術(shù)，該課題組制備了64通道集成濾光片，單通道尺寸為100 μm×100 μm，光譜范圍在可見-近紅外區(qū)域，光譜分辨率為2 nm。

圖5 電子束灰度光刻制備集成金屬F-P 濾光片

除了納米壓印技術(shù)外，灰度電子束曝光技術(shù)也被研究用于集成F-P微腔的制備。由于電子束具有較短的波長，使用電子束曝光的分辨率遠(yuǎn)高于普通紫外光刻；其次，電子束曝光可根據(jù)所設(shè)計的圖形使用電子束斑直接曝光，無須制備曝光掩模板，避免了納米壓印制作模板的繁瑣過程。2017年，美國加利福尼亞大學(xué)Huang等和我國湖南大學(xué)段輝高團隊先后報道了利用灰度電子束曝光技術(shù)制備的集成F-P濾光片。利用電子束灰度曝光技術(shù)，段輝高團隊制備的單個F-P微腔的最小邊長僅為433 nm。2019年，英國劍橋大學(xué)的Williams等也發(fā)表了利用電子束灰度光刻制備的金屬F-P微腔，光譜范圍覆蓋整個可見波段，光譜帶寬約為25 nm。

使用電子束曝光進行灰度光刻，其優(yōu)點在于在選取灰度劑量時電子束的束流控制比較穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確地輸出所選定的劑量值。此外，電子束曝光的分辨率極高，可以制備納米級別的灰度結(jié)構(gòu)。但同時該方法也存在一定的缺點，在制備大面陣、大像元的結(jié)構(gòu)時，電子束光刻的曝光速率慢，需要耗費很長時間，且價格昂貴，僅適用于小尺寸、高分辨率的研發(fā)領(lǐng)域。

2022年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的陸衛(wèi)和王少偉團隊首次利用激光直寫紫外灰度光刻工藝，在InGaAs短波紅外探測器上直接集成了像素級全介質(zhì)F-P濾光片，使探測器本身就具備了光譜分辨能力，如圖6所示。激光直寫紫外灰度光刻過程與電子束灰度光刻工藝過程類似，雖然激光直寫的精度不如電子束，但是其成本低廉且曝光速度遠(yuǎn)快于電子束曝光。該集成F-P濾光片的光譜范圍為0.9~1.7 μm，通道數(shù)最多達(dá)100個，每個通道尺寸為60 μm×60 μm。該工作還采用了光譜重構(gòu)技術(shù)提高短波紅外光譜探測芯片的光譜分辨率，僅需20個像元通道，就可以實現(xiàn)0.9~1.7 μm寬波段范圍內(nèi)5 nm的光譜分辨率，只需50個像元通道，就可以實現(xiàn)該波段范圍內(nèi)高達(dá)2 nm的光譜分辨率。

圖6 激光直寫灰度光刻技術(shù)制備集成F-P濾光片

上述介紹的工藝均為改變光學(xué)腔的長度獲得不同的透射譜。2016年，美國加州理工大學(xué)的Faraon團隊提出通過改變介質(zhì)層等效折射率的方式改變F-P微腔的透射峰位，如圖7所示。該團隊利用電子束光刻和離子刻蝕的方法，在全介質(zhì)F-P微腔中間制備了高為400 nm、周期為600 nm的硅納米柱，通過改變納米柱的邊長來改變納米柱超表面的等效折射率，當(dāng)納米柱的邊長從120 nm增加到430 nm的時候，F(xiàn)-P濾光片的中心峰位從1.45 μm移動到了1.7 μm，品質(zhì)因子保持在700左右。該方法與灰度光刻有異曲同工之處，即不需要反復(fù)套刻刻蝕腔層來獲得不同的透過率，但是它需要比灰度光刻更精細(xì)的束斑來進行納米結(jié)構(gòu)制備，成本將會更高。

圖7 超表面F-P濾光片

基于F-P微腔的重構(gòu)型光譜儀和光譜重構(gòu)算法

如前所述，F(xiàn)-P微腔分光器件的光譜分辨率與距離無關(guān)，可與探測直接集成，所構(gòu)成的光譜儀具有體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)勢。但是在具體制備的過程中，會遇到兩大問題：一是腔長增加會引入高級次的透射峰，從而干擾光譜測試；二是過高的光譜分辨率難以實現(xiàn)，無論是集成F-P濾光片還是線性漸變F-P濾光片都需要對腔層進行額外加工，這會在一定程度上破壞諧振條件，進而使得高光譜分辨率的F-P微腔難以制備。高光譜分辨率的F-P微腔需要更高層數(shù)的DBR以及更嚴(yán)格的鍍膜條件，且由于光通道變窄，透射光能量急劇下降，對探測器的響應(yīng)要求也更高。為此，光譜重構(gòu)算法被引入F-P微腔微型光譜儀中，從軟件算法方面緩解上述難點引發(fā)的問題，而使用了光譜重構(gòu)算法的光譜儀又被稱為重構(gòu)型光譜儀。光譜重構(gòu)算法如圖8所示。

圖8 光譜重構(gòu)算法示意圖

2008年，美國匹茲堡大學(xué)的Chang等首次提出將光譜重構(gòu)算法引入集成濾光片的微型光譜儀中，用來矯正光譜圖像、提升光譜分辨率。他們比較了奇異值分解算法（SVD）和非負(fù)的最小二乘算法（NNLS），并指出NNLS算法可更好地反解出目標(biāo)光譜，但是由于引入了額外約束條件，使得NNLS算法消耗的時間比SVD算法高了兩個數(shù)量級。2017年，美國加利福尼亞大學(xué)的Huang等報道的基于電子束灰度光刻制備的F-P濾光片微型光譜儀中，使用L1正則化的壓縮感知算法，獲得了約8 nm的極限分辨率。

2022年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)和王少偉團隊將光譜重構(gòu)算法引入激光直寫灰度光刻制備的短波紅外微型光譜儀中，用以進一步提升光譜儀的光譜分辨率，利用壓縮感知算法，在50個光譜通道的情況下，獲得了在整個900~1700 nm波段內(nèi)2 nm的光譜分辨率，如圖9所示。同年，該團隊提出了基于光譜特征的光譜重構(gòu)算法，在重構(gòu)算法中引入絕對值項代替原來的非負(fù)約束條件，使算法的抗噪能力相比于壓縮感知算法提升了4倍，是傳統(tǒng)吉洪諾夫正則算法的20倍，很好地解決了重構(gòu)型光譜儀抗噪能力差的一大難題。同時利用納米壓印技術(shù)制備了集成F-P濾光片，并與廉價的CMOS相機芯片（8位）相混成，制備了微型光譜相機原理樣機。結(jié)合光譜重構(gòu)算法，該光譜相機的測試波段為600~750 nm，分辨率達(dá)到3 nm。

圖9 短波紅外微型光譜儀重構(gòu)結(jié)果

全介質(zhì)F-P微腔中光子與低維材料的相互作用

除了上節(jié)所述的光譜分光功能外，F(xiàn)-P微腔可以將光子極大程度地束縛在光學(xué)腔內(nèi)，極大地增強了光與物質(zhì)的相互作用，早期的激光器便是基于F-P微腔制備而成的。

21世紀(jì)以來，低維半導(dǎo)體材料引起了人們廣泛關(guān)注。低維半導(dǎo)體材料是指材料體系至少在一個維度上對其載流子輸運和躍遷等物理行為具有量子限域作用的半導(dǎo)體材料或結(jié)構(gòu)，這是它們區(qū)別于體材料的一個主要特征。集成電路與集成光子學(xué)的快速發(fā)展，使得低維半導(dǎo)體材料及其特性的研究以及相關(guān)器件的設(shè)計與制備成為半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。本節(jié)主要介紹基于全介質(zhì)DBR的F-P腔與低維材料結(jié)合的相關(guān)工作進展。

基于全介質(zhì)F-P微腔的低維半導(dǎo)體激光器

自半導(dǎo)體激光器問世以來，其微小型化研究便已成為了光子學(xué)領(lǐng)域的焦點，具有廣闊的應(yīng)用前景。分布式反饋腔（DFB）、DBR激光器到垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、光子晶體缺陷腔激光器的問世為激光器的微小型化提供了新思路。同時，隨著微納生長和加工技術(shù)的進步，各種新型材料體系如量子點、二維材料、微納材料被應(yīng)用于激光器，成為納米激光器研究的熱點。

2001年，美國加州大學(xué)伯克利分校的楊培東等制備出一種高質(zhì)量的ZnO納米線，該納米線上下兩個端面形成了高質(zhì)量自構(gòu)型F-P微腔，在室溫下利用光泵浦成功地實現(xiàn)了紫外波段的激射，這也是納米線激光器的首次實現(xiàn)。此后，基于各類半導(dǎo)體材料的納米激光器也相繼出現(xiàn)，激光范圍能夠覆蓋紫外至近紅外波段。然而，由于自構(gòu)型腔腔長太大導(dǎo)致材料本身的吸收過強，使基于自構(gòu)腔的半導(dǎo)體激光器閾值較高。因此，人們通過制備外部結(jié)構(gòu)腔，并將增益材料置于腔中來實現(xiàn)激射，這樣既可以降低閾值，也易于進行規(guī)模化集成。由于全介質(zhì)諧振腔具有發(fā)散角小、光束質(zhì)量高和易集成二維陣列結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，被廣泛用于實現(xiàn)VCSEL的低閾值激射。2016年，湖南大學(xué)潘安練團隊和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王少偉等將CdS納米帶嵌入全介質(zhì)DBR微腔中實現(xiàn)了光泵浦下的單模激射，如圖10所示。其激光閾值低至8 μJ/cm2，比裸CdS帶的激光閾值低一個數(shù)量級，此外，激光模式的波長可以通過改變CdS納米棒的厚度實現(xiàn)498~520 nm范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧，能夠覆蓋CdS的整個帶邊發(fā)射帶。2022年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)和王少偉團隊實現(xiàn)了一種基于全介質(zhì)DBR微腔的片上集成光源，他們通過組合刻蝕技術(shù)來控制微腔腔長，進而實現(xiàn)了多波長單模激射的單片集成，激光波長范圍可達(dá)678.9~744.4 nm，最低閾值達(dá)到5.4 kW·cm?2。

圖10 CdS激光器結(jié)構(gòu)及表征、測試結(jié)果

除了微納材料體系，量子點體系、層狀二維材料體系、微盤體系激光器也在DBR微腔中實現(xiàn)。2015年，美國華盛頓大學(xué)的Huang等實現(xiàn)了基于全介質(zhì)F-P微腔的全無機CsPbBr?量子點VSCEL，并實現(xiàn)了0.39 μJ/cm2的超低閾值，此外量子點還表現(xiàn)出超穩(wěn)定性，在飛秒激光和準(zhǔn)連續(xù)波納米激光泵浦下，激光器能夠保持?jǐn)?shù)小時的運行時間。

2020年，湖南大學(xué)潘安練團隊和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王少偉團隊合作展示了一種基于層狀二維材料的納米激光器，如圖11所示。他們將層狀黑磷（BP）嵌入全介質(zhì)DBR微腔中，首次實現(xiàn)了室溫下中紅外波段的低閾值單模激射，通過改變腔和BP層的厚度實現(xiàn)了激光波長從3.42 μm到4.07 μm的調(diào)諧。2022年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)和王少偉團隊利用類似結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了全無機鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CsPbCl?微盤單模激光器，其閾值低至1.3 μJ/cm2，通過調(diào)節(jié)微盤厚度實現(xiàn)了激光波長從529.6 nm到544.1 nm的調(diào)諧。

圖11 BP激光器結(jié)構(gòu)及表征、測試結(jié)果

全介質(zhì)F-P微腔中光與物質(zhì)的耦合作用

當(dāng)微腔中量子體系的輻射波長和微腔的諧振波長一致時，量子體系和腔模式之間不斷進行能量交換，會發(fā)生光-物質(zhì)耦合現(xiàn)象，該現(xiàn)象可以用腔量子電動力學(xué)（CQED）的觀點來解釋。主要有弱耦合作用和強耦合作用。

全介質(zhì)F-P微腔中光與低維材料的強耦合作用

DBR微腔因其較高的Q因子而常被用來與低維半導(dǎo)體材料結(jié)合研究光與物質(zhì)的耦合作用，人們將其與不同量子體系進行組合嘗試，發(fā)現(xiàn)了很多新奇的物理效應(yīng)。1992年，東京大學(xué)的Weisbuch等將二維GaAs量子阱嵌埋在DBR微腔中，將光場有效地限制在介質(zhì)體系內(nèi)，首次實現(xiàn)了微腔光子與激子的強耦合，觀察到量子阱體系的真空Rabi分裂，為微腔極化激元研究奠定了基礎(chǔ)。此后隨著人們對微腔中光與物質(zhì)相互作用研究的不斷深入，微納材料、層狀二維材料、有機半導(dǎo)體等材料體系的研究也相繼出現(xiàn)，本節(jié)主要介紹二維材料體系的強耦合現(xiàn)象。

自2004年曼徹斯特大學(xué)Geim小組成功分離出單分子層的石墨烯材料以來，二維層狀材料由于其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)特性，受到了人們的廣泛關(guān)注，過渡金屬硫族化合物（TMDC）材料便是其中的代表。TMDCs一般具有MX?的化學(xué)式，M表示過渡金屬（W、Mo等），X表示硫族元素（S、Se等），其具有激子束縛能大、單層直接帶隙發(fā)光等特點。2014年，美國紐約市立大學(xué)的Menon等將單原子層MoS?材料嵌入由SiO?/Si?N?構(gòu)成的全介質(zhì)DBR微腔中，首次在室溫下實現(xiàn)了二維材料激子與微腔光子的強耦合。2020年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)和王少偉團隊在室溫下的Ta?O?/SiO?全介質(zhì)微腔體系中實現(xiàn)了單層WS?激子與微腔光子之間的強光-物質(zhì)耦合作用，并在角分辨反射光譜中觀察到36 meV的Rabi分裂，如圖12所示。除此之外，其他單層TMDCs材料也由于其大的激子束縛能而被應(yīng)用于全介質(zhì)F-P微腔中，并觀察到了強耦合效應(yīng)。

圖12 單層WS?微腔結(jié)構(gòu)示意圖及測試結(jié)果

隨著二維材料制備技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)了層間堆疊產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，例如用于探究激子-光子相互作用的Moiré超晶格，能夠在二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生新的量子現(xiàn)象，且單原子層間的相互作用還能夠定性改變超晶格的電子帶結(jié)構(gòu)。六方氮化硼（h-BN）作為一種寬帶隙絕緣體，可以顯著改善石墨烯或TMDCs的光學(xué)和電學(xué)性能，因此常被用來與二維半導(dǎo)體材料集成為異質(zhì)結(jié)構(gòu)。近年來，基于全介質(zhì)F-P微腔的hBN/TMDC中的激子-極化激元的研究已經(jīng)有不少報道。2019年，波蘭華沙大學(xué)的Pietka等將hBN/WSe?/hBN結(jié)構(gòu)嵌入全介質(zhì)微腔中，在5 K的低溫下觀察到了強耦合現(xiàn)象，并通過調(diào)節(jié)WSe?的層數(shù)和布拉格反射鏡之間的距離，調(diào)節(jié)了激子-極化激元的本征能量。2020年，同樣是基于全介質(zhì)F-P微腔，德國維爾茨堡大學(xué)的Schneider等采用WSe?/hBN/WSe?結(jié)構(gòu)觀察到了室溫下的強耦合現(xiàn)象。2022年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)和王少偉團隊通過在DBR半導(dǎo)體微腔中嵌埋WS?/hBN/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在室溫下觀察到了強耦合現(xiàn)象和15 meV的Rabi分裂，如圖13所示。

圖13 WS?/hBN/WS?異質(zhì)結(jié)微腔結(jié)構(gòu)示意圖及測試結(jié)果

激子極化激元激光器

當(dāng)激子被非共振激發(fā)光激發(fā)時，會形成激子-極化激元凝聚體。與通過受激發(fā)射產(chǎn)生光的常規(guī)激光器不同，極化激元激光器能夠自發(fā)產(chǎn)生激光，不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其原理是基于宏觀數(shù)量的輕準(zhǔn)粒子的積累，這些準(zhǔn)粒子處于相同的量子態(tài)，即玻色子凝聚體。美國斯坦福大學(xué)的Yamamoto等早在1996年便預(yù)測了極化激元激光的可能性，并于2002年通過GaAs多量子阱DBR微腔在實驗上得到實現(xiàn)，為微腔極化激元玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）的研究打開了新的思路。在這之后，基于全介質(zhì)微腔體系的量子阱極化激元激光器逐漸發(fā)展起來，一些大激子結(jié)合能量子阱的出現(xiàn)，也使室溫極化激元凝聚態(tài)的出現(xiàn)成為可能。

隨著光電子器件的快速發(fā)展，微型化、集成化應(yīng)用已成趨勢，因此人們將極化激元激光器研究的焦點逐漸放在了鈣鈦礦、TMDCs等低維新材料體系上。2017年，熊啟華課題組將全無機CsPbBr?鈣鈦礦結(jié)構(gòu)納米片嵌入由HfO?/SiO?構(gòu)成的DBR微腔中，實現(xiàn)了激子極化激元的室溫BEC現(xiàn)象和超低閾值激射，之后，該課題組又將單原子層WS?嵌入全介質(zhì)F-P微腔中實現(xiàn)了極化激元激射，如圖14所示。BEC物理機制的發(fā)現(xiàn)和新材料體系的不斷豐富，將為激子極化激元在量子信息處理、拓?fù)浼す夂土孔庸鈱W(xué)等方面的應(yīng)用鋪平道路。

圖14 單層WS?微腔結(jié)構(gòu)及其測試結(jié)果

F-P微腔在參數(shù)精密測量上的應(yīng)用

F-P微腔因其簡單的結(jié)構(gòu)、高品質(zhì)因子和強的光學(xué)共振響應(yīng)，在參數(shù)精密測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。F-P微腔傳感器主要利用多光束干涉的原理，即一組相互平行的、相鄰兩束光的光程差固定不變的、頻率相同的相干光束的疊加。當(dāng)微腔內(nèi)的折射率或厚度發(fā)生變化時，干涉條件也會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致輸出光譜的移動。通過檢測輸出光的變化，可以建立待測參數(shù)與輸出光之間的聯(lián)系，從而實現(xiàn)參數(shù)測量傳感，如折射率、溫度、濕度、壓力、聲音等。

F-P微腔常與光纖傳感器相結(jié)合，形成開放式腔或制成傳感頭來實現(xiàn)各種參數(shù)的精密測量。如圖15（a）所示，F(xiàn)-P微腔由兩段單模光纖和一段空心毛細(xì)管組成，兩段光纖端面形成兩個反射鏡，與帶有缺口的毛細(xì)管形成一個開放式的F-P干涉儀。通過探測F-P干涉儀的干涉頻譜強度以及信號處理，進而實現(xiàn)對待測物體折射率的測量。

圖15 光纖F-P微腔用于折射率、溫度傳感示例

在溫度傳感檢測方面，由于溫度會引起傳感器的輕微形變，從而導(dǎo)致F-P微腔長的緩慢變化，通過光譜解調(diào)獲取腔長與溫度變化之間的關(guān)系。如圖15（b）所示是傳感器受溫度影響引起的形變，當(dāng)溫度變化時，輸出干涉光譜會出現(xiàn)一定程度的偏移，通過參數(shù)解調(diào)即可獲得圖15（d）中腔長與溫度的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)對溫度的傳感探測。2021年，黑龍江大學(xué)柳春郁等采光纖陶瓷頭形成開放式F-P微腔，實現(xiàn)了腔內(nèi)物質(zhì)分別為氣體、液體和固體三種不同狀態(tài)時的溫度測量。

在濕度傳感檢測方面，西安工業(yè)大學(xué)王偉等采用瓊脂薄膜作為濕敏材料，以類似的雙腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在50%RH至80%RH的濕度環(huán)境范圍內(nèi)檢測相對濕度。2023年，中國計量大學(xué)沈常宇等在空心毛細(xì)管光纖與單模光纖中引入鈦酸鋇微球和聚乙烯醇（PVA）薄膜構(gòu)建多個F-P微腔。當(dāng)濕度發(fā)生變化時，PVA薄膜會吸收或釋放水分，從而改變F-P微腔的長度，進而引起干涉條紋的移動。通過Vernier效應(yīng)放大這種移動，可以提高傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性。

在壓力傳感檢測方面，往往也基于相似的探測原理：當(dāng)外界施加壓力時，微腔光程差發(fā)生變化，通過測量傳感器的輸出光譜響應(yīng)，可以計算出壓力大小以及傳感器的靈敏度、分辨率等性能指標(biāo)。2022年，北京信息科技大學(xué)何彥霖等設(shè)計了一種可集成于探針的F-P微腔級聯(lián)布拉格光柵（FBG）的光纖力傳感器，用于滿足穿刺手術(shù)探針末端力測量的需求，以實現(xiàn)對探針的精準(zhǔn)控制和手術(shù)質(zhì)量。該傳感器光纖F-P微腔力靈敏度可達(dá)331.8 pm/N，F(xiàn)BG力靈敏度可達(dá)159.9 pm/N。

在聲音傳感檢測方面，聲信號的傳入會引起光纖F-P微腔長變化，進而通過光譜解調(diào)可以對聲信號進行探測。圖16是典型的膜片式F-P聲傳感器結(jié)構(gòu)，膜片材料的不同會導(dǎo)致傳感檢測效果差異頻率效應(yīng)的不同。二氧化硅、金屬、硅膠聚合物、石墨烯等材料作為聲壓薄膜廣泛應(yīng)用于F-P光纖聲傳感器中。2021年，南昌航空大學(xué)萬生鵬等采用GO薄膜（石墨烯的衍生材料）與單模光纖貼合形成光纖F-P微腔，當(dāng)聲波引起GO薄膜振動時，腔長會發(fā)生變化，通過信號采集與濾波算法處理，可以實現(xiàn)較好的語音傳感效果。

圖16 基于GO薄膜的F-P微腔聲傳感原理圖

在氣體傳感檢測方面，光纖F-P傳感器也有廣泛的應(yīng)用。2018年，電子科技大學(xué)代志勇等提出了一種有機聚合物敏感結(jié)合光波相位檢測的光纖氣體傳感方法。在F-P微腔中填充有機聚合物薄膜，這種薄膜材料的折射率會隨著酸性氣體的濃度變化而變化，因此可以通過分析光纖F-P微腔輸出的光譜特性，實現(xiàn)對酸性氣體濃度的測量。

在流體傳感檢測方面，光纖F-P微腔傳感器也有相關(guān)應(yīng)用。2020年，天津大學(xué)劉鐵根等針對水利樞紐高速氣流的流速測量需求，提出了一種基于光纖F-P傳感技術(shù)的湍流流速測量系統(tǒng)，如圖17所示。該系統(tǒng)由風(fēng)速測量探頭和偏振低相干干涉解調(diào)單元組成，利用兩支F-P傳感器檢測流場的壓力和溫度變化，以實現(xiàn)流速的計算。其中F-P傳感器的硅膜片會因外界氣壓發(fā)生形變進而改變F-P微腔長，F(xiàn)-P微腔內(nèi)含有微量氣體，溫度變化也會導(dǎo)致腔長變化，因此該傳感器具有壓力、溫度雙敏感特性。

圖17 湍流流速測量系統(tǒng)

當(dāng)前，光纖F-P微腔用于參量傳感時正朝著多參量同時檢測、便攜式微型化等方向發(fā)展。2023年，桂林電子科技大學(xué)苑立波等提出了一種基于多模光纖（MCF）的雙FBG和F-P微腔復(fù)合光纖傳感器。在單模光纖（SMF）和MCF之間熔接空心光纖（HCF）以形成F-P微腔。在MCF的側(cè)芯（SC）和中心芯（CC）上分別制備了兩種具有不同反射波長的FBG。CC上的F-P微腔和FBG組合可以同時測量溫度和軸向應(yīng)變，SC上的FBG對彎曲敏感可以用于曲率測量。因此在單個光纖上的復(fù)合傳感器可以同時測量曲率、軸向應(yīng)變和溫度。類似地，還有對聲壓和溫度同時測量、溫度和折射率同時測量、應(yīng)變和溫度同時測量的工作報道。

除了與光纖結(jié)合進行參數(shù)的傳感測量以外，還可以利用F-P微腔強的共振模式進行材料的折射率測量。2022年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)和王少偉團隊針對傳統(tǒng)方法［橢圓偏振法、基于Kramers-Kroning（K-K）關(guān)系參數(shù)反解、基于菲涅耳方程的襯度光譜擬合等］無法精確測量微小尺寸低維材料的復(fù)折射率問題，提出將待測材料嵌埋在介質(zhì)光學(xué)微腔中，通過測量嵌埋材料和空腔區(qū)域共振模式的峰位變化和強度變化，精確獲取低維材料的復(fù)折射率，如圖18所示。該方法還可以區(qū)分各向異性材料的o光和e光的折射率。同時還利用組合刻蝕技術(shù)制備了一系列具有不同腔長的集成光學(xué)微腔，實現(xiàn)了不同波長下低維材料折射率的測量。

圖18 腔共振輔助測量低維材料折射率的原理示意圖

F-P微腔在生物檢測方面的應(yīng)用

由于F-P微腔具有高靈敏度、高分辨率、高選擇性等特點，其在生物領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。當(dāng)生物材料或生物分子被置于微腔之中，其產(chǎn)生的熒光等微弱信號會被反復(fù)放大，當(dāng)生物分子作為增益材料引入微腔中時，產(chǎn)生的激光信號在輸出強度、光譜特征上遠(yuǎn)優(yōu)于單獨探測生物分子所獲取的信號，可以用于揭示細(xì)胞及生物分子特征、描述內(nèi)部分子相互作用變化、生物分子檢測與識別和生物成像等。這一類應(yīng)用也是光流控生物激光器中的一種類型。

世界上第一個生物細(xì)胞激光器于2011年正式被報道，美國哈佛醫(yī)學(xué)院的Yun等展示了使用重組綠色熒光蛋白（GFP）的體外蛋白質(zhì)激光器，并引入了基于表達(dá)GFP的單個活細(xì)胞激光器。2015年，該團隊又提出一種通過使用各種標(biāo)準(zhǔn)熒光染料來提供光學(xué)增益的方法。染料增益培養(yǎng)基可以位于細(xì)胞內(nèi)部或外部，或者同時位于兩者中，適用于不同類型的細(xì)胞。由于細(xì)胞種類、內(nèi)部成分結(jié)構(gòu)不同，將導(dǎo)致激光器輸出發(fā)生變化。2017年，美國密歇根大學(xué)范旭東等通過介質(zhì)鏡形成高品質(zhì)因子的F-P微腔，將帶有熒光染料的組織夾在其中，實現(xiàn)了來自肌肉和脂肪組織的不同激光發(fā)射。該平臺具有窄光譜帶寬、高發(fā)射強度以及強的背景抑制，能顯著提高組織表征中的靈敏度、特異性和成像對比度。如圖19（c）所示，南洋理工大學(xué)Yu-Cheng Chen（陳又誠）團隊將具有自組裝脂質(zhì)單層的仿生液晶液滴夾在F-P微腔中，可實現(xiàn)蛋白質(zhì)-脂質(zhì)膜相互作用導(dǎo)致的輸出矢量束拓?fù)渥儞Q，揭示了結(jié)構(gòu)光-分子相互作用引起的微腔內(nèi)動態(tài)特征的顯著變化。

圖19 細(xì)胞激光器示例

2020年，Yu-Cheng Chen團隊提出了分子激光偏振的概念。由于F-P微腔提供的強光學(xué)反饋和受激發(fā)射的相干性質(zhì)，通過檢測受激發(fā)射過程中的分子旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間，就可以將小分子區(qū)分出來，而傳統(tǒng)熒光偏振則無法實現(xiàn)這一功能。這項技術(shù)也為檢測和識別不同類型的生物大分子和小分子提供了新途徑。2021年，該團隊將綠色熒光蛋白或手性生物分子封裝在F-P微腔中用作增益材料，在被左旋或右旋圓偏振泵浦激光激發(fā)時，由于受激發(fā)射的非線性泵浦能量依賴性，手性光物質(zhì)相互作用得到了顯著增強，如圖20（a）所示。因此，這一工作可以揭示手性光物質(zhì)相互作用的更多信息和特征。

圖20 手性激光器與激光發(fā)射成像示例

在生物成像方面，激光發(fā)射成像作為一種新興的技術(shù)，可以通過收集發(fā)射激光來形成具有亞波長分辨率和高對比度的圖像。如圖20（b）所示，Yu-Cheng Chen團隊在2022年提出一種基于混合液晶微球的、可用于細(xì)胞成像和生物傳感的微激光諧振器?；旌弦壕⑶蚓哂懈哒凵渎剩梢灾С旨す獍l(fā)射，并且無需標(biāo)記即可響應(yīng)生化信號。當(dāng)目標(biāo)分子結(jié)合到液晶微球表面時，會引起液晶分子的定向變化，從而導(dǎo)致散射損失增加和激光強度降低。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，生物激光及其增強技術(shù)在生物分子檢測以及臨床應(yīng)用中將提供更高靈敏度、更高分辨率的檢測和分析手段。展望未來，生物激光器有望與其他成像和檢測技術(shù)相融合，為生物研究、疾病診斷和治療提供獨特的解決方案。

基于F-P微腔的多維光場調(diào)控

微納光學(xué)在偏振/光譜調(diào)控、光束整形以及渦旋光場等多維光場調(diào)控方面取得了顯著進展，為光學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用提供了新的可能性。在這些領(lǐng)域中，基于F-P微腔的多維光場調(diào)控技術(shù)尤為引人注目，因為它結(jié)合了F-P微腔的高品質(zhì)因子和窄譜線特性，從而實現(xiàn)了高精度和高靈敏度的光場控制。此外，F(xiàn)-P微腔結(jié)構(gòu)的可調(diào)性使得這一技術(shù)能夠適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場景，滿足多樣化的需求。這些特點使得基于F-P微腔的多維光場調(diào)控技術(shù)在光學(xué)研究和實際應(yīng)用中具有重要價值。近年來，越來越多的研究者開始關(guān)注基于F-P微腔的多維光場調(diào)控技術(shù)，并在實驗和理論研究中取得了豐富的成果。通過引入先進的光學(xué)元件和設(shè)計創(chuàng)新的光學(xué)結(jié)構(gòu)，研究者們已經(jīng)實現(xiàn)了各種高效、靈活的光場調(diào)控方案。這些進展為實現(xiàn)更高性能、更多功能的光場調(diào)控提供了堅實的基礎(chǔ)。

在偏振/光譜調(diào)控上，研究人員通過將超表面等結(jié)構(gòu)引入F-P微腔中，改善F-P微腔對光場的調(diào)控能力。2019年，美國普渡大學(xué)Alexander V. Kildishev團隊提出如圖21（a）所示的結(jié)構(gòu)，在F-P微腔層中引入Ag光柵，實現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)對不同偏振入射光的響應(yīng)。通過改變光柵占空比，實現(xiàn)對F-P微腔共振峰位的調(diào)諧。2023年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)和王少偉團隊提出并驗證相位調(diào)控超界面的偏振-光譜同時分光理論，將金屬超表面結(jié)構(gòu)嵌埋于介質(zhì)F-P微腔中，利用超界面結(jié)構(gòu)對F-P微腔的界面相位調(diào)控效應(yīng)，同時實現(xiàn)了800和113的高偏振消光比和光譜分辨力。此外，在金屬端面散射效應(yīng)和F-P微腔共振的共同作用下，波面將向兩端壓縮，從而具備衍射抑制效應(yīng)。理論計算表明，在10 μm像元級尺寸下，該超界面器件比傳統(tǒng)光柵器件的偏振消光比提升了6倍，為大規(guī)模像素級偏振探測消光比極低的原理性難題提供了一種有效的解決途徑。

圖21 基于F-P微腔的偏振/光譜調(diào)控

在光束整形中，可以通過對傳統(tǒng)平面F-P微腔的腔型結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，用于獲取光束的準(zhǔn)直、更小模式體積、更高品質(zhì)因子等優(yōu)良特性。2015年，英國牛津大學(xué)Trichet等采用聚焦離子束（FIB）的方式對襯底進行濺射處理，然后生長DBR層狀結(jié)構(gòu)，以構(gòu)建凹面反射鏡，如圖22（a）所示。2016年，英國牛津大學(xué)Flatten等采用類似的方式生長了曲率半徑為6 μm的微腔，并研究了兩個微腔之間的耦合過程，觀察到了從獨立腔向耦合腔轉(zhuǎn)化過程中微腔模式的演變以及模式分裂，如圖22（b）所示。除了上述對F-P微腔鏡面結(jié)構(gòu)的修飾，研究人員通過在F-P微腔中引入超表面結(jié)構(gòu)，對入射光束相位進行調(diào)制，實現(xiàn)了品質(zhì)因子為4600、線寬小于0.4 nm、模式體積小于2.7 λ3的微腔結(jié)構(gòu)。通過對超表面進行精心設(shè)計，還可以實現(xiàn)其他形狀的光斑圖案，如圖23所示。

圖22 基于F-P微腔的光束整形示例

圖23 引入超表面結(jié)構(gòu)的F-P微腔光束整形結(jié)果

類似地，將F-P微腔與渦旋光的螺旋相位結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以實現(xiàn)渦旋光的產(chǎn)生和調(diào)控。F-P微腔的高品質(zhì)因子等特性，可以使得渦旋光束具有較高的光譜純度和穩(wěn)定性，有利于實際應(yīng)用。這些渦旋光束在光通信、光操控、光學(xué)傳感和量子信息等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。2019年，法國巴黎薩克雷大學(xué)Zambon提出采用帶有旋轉(zhuǎn)對稱性的平面微腔，通過圓偏振光旋轉(zhuǎn)偏振激發(fā)增益介質(zhì)的方法，來調(diào)控光束的軌道角動量。2020年，上海交通大學(xué)謝國強團隊提出可以通過在激光器腔鏡上印制特殊設(shè)計的同心環(huán)圖案來直接產(chǎn)生多個渦旋光束，如圖24所示。這些光束具有獨特的空間和時間特性，通過控制不同渦旋組分的強度和相位，就可以實現(xiàn)多渦旋激光器的空間和時間編碼，可以用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域。南非威特沃特斯蘭德大學(xué)Forbes等提出一種腔內(nèi)超表面增強激光器，通過對超表面進行相位設(shè)計，可以實現(xiàn)任意軌道角動量（OAM）耦合至線偏振態(tài)，量子數(shù)最高可達(dá)100。這種設(shè)計能有效減少激光器元件的數(shù)量和復(fù)雜性。

圖24 多渦旋脈沖光束激光器

總結(jié)與展望

21世紀(jì)以來，隨著微納加工技術(shù)的引入，基于F-P微腔的相關(guān)研究及應(yīng)用進入了新的發(fā)展階段。本文綜述了F-P微腔在光譜探測、微納激光器、傳感監(jiān)測等諸多方向的前沿研究。在分光和光譜探測方面，F(xiàn)-P微腔因其光學(xué)分辨率與距離無關(guān)的特性被廣泛用于分光器件的制備，為光譜探測系統(tǒng)的微小型化、集成化提供了新的解決途徑，隨著微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展，基于集成F-P微腔的成像光譜探測器向更高分辨率和多維光場探測方向發(fā)展；在量子光學(xué)方面，全介質(zhì)F-P微腔因其易制備、具有高品質(zhì)因子及與各類半導(dǎo)體材料兼容，已經(jīng)觀察到了室溫下激子-極化激元的BEC現(xiàn)象，相信隨著激子-微腔體系耦合機制的深入研究，在將來能夠?qū)崿F(xiàn)激子極化激元超低閾值激光器的實際應(yīng)用；在傳感方面，F(xiàn)-P微腔因其簡單的結(jié)構(gòu)、強的光學(xué)共振響應(yīng)和可調(diào)諧性被用于溫度傳感、濕度傳感、壓力傳感、氣體傳感等諸多領(lǐng)域，且已逐漸向多參量同時檢測的方向發(fā)展。未來，F(xiàn)-P微腔的發(fā)展勢必與超表面技術(shù)相結(jié)合，形成光譜-偏振-渦旋等多維光場的調(diào)控模式，為光通信、量子通信、光傳感等領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機遇。

審核編輯：劉清