摘要
关键词
- 自由电子 (Free electrons)
- 微共振器 (Microresonators)
- 非线性光学态 (Nonlinear optical states)
- 光频梳 (Optical frequency combs)
- 光子-电子相互作用 (Photon-electron interaction)
研究背景
非线性光学现象因其在光学频率计量、量子信息科学和光通信中的广泛应用而备受关注。微共振器作为一种重要的光学平台，支持多种非线性耗散结构，如Kerr耗散孤子、Turing图案等。自由电子与光学腔场的相互作用已被证明可以实现电子光学调控、显微成像和粒子加速等新功能。然而，现有研究多局限于线性光学响应，而非线性光学态对电子的调控能力尚未被充分探索。本研究通过将高品质氮化硅微共振器与自由电子束结合，首次展示了非线性光学态在电子调控中的应用潜力。
创新点
- 首次实现自由电子与微共振器中非线性光学态的相互作用。
- 利用高品质因子氮化硅微共振器生成非线性光学结构，并观测到其电子能谱指纹。
- 拓展了自由电子显微镜在光学孤子探测与成像中的应用。
- 提供了一种新的基于电子能量谱的光学孤子动态监测方法。
研究内容
本研究基于氮化硅光子芯片微共振器，通过超低损耗结构生成Kerr孤子等非线性光学态。实验采用连续波激光泵浦，调节腔模失谐量以产生不同类型的光学频率梳。自由电子束穿过腔场表面，在非弹性光-电子散射作用下，获得光学态的能量信息。通过实验和数值模拟，验证了不同非线性光学态（如Turing图案、混沌调制不稳定性和耗散孤子）在电子能谱中的特定指纹。进一步研究显示，通过扫描电子束与腔场的相互作用，可以实现对非线性光学态的时间和空间动态监测，为超快电子显微技术提供了全新路径。
(A) 实验示意图。电子在透射电子显微镜（TEM）中经过基于光子芯片的非线性微谐振腔。电子与非线性光学态之间的受激非弹性散射导致电子光谱展宽。
(B) 光纤封装的Si\(_3\)N\(_4\)光子芯片的照片。
(C) 腔内功率与激光失谐的关系图，展示了由Kerr效应引起的共振倾斜和双稳态。
(D) 腔内波形的示意图及后相互作用的电子光谱，分别对应于CW（连续波）、混沌调制不稳定性（MI）和耗散Kerr孤子（DKS）态。电子光谱展宽源于不同时间与腔内场相互作用的电子的非相干求和。
(A) 实验设置示意图，包含光谱分析仪（OSA）、电子谱分析仪（ESA）、示波器（OSC）等设备。
(B)（上）扫描泵浦激光频率经过共振时生成的光信号的示波器轨迹；（下）同时记录的电子光谱，展示了不同腔内态对应的光谱特征。
(C) 模拟得到的微谐振腔稳定性图，展示了泵浦功率和失谐的二维参数空间及标记的状态存在区域。
(D) 模拟的光学波形和光谱，以及测量得到的CW、Turing图案、混沌MI和DKS态的光谱与电子光谱。图中编号和颜色编码与(B)和(C)中的一致。
(A) 示意图展示了电子束与支持DKS态的微谐振腔的两次相互作用。
(B, C, F, G) 分别为CW、Turing图案、混沌MI和单DKS态的光学光谱测量结果。
(D, E, H, I) 对应这些态的Ramsey干涉模式的测量(Exp.)和模拟(Sim.)结果。每个干涉模式中包含两条线切片（绿色和蓝色虚线）。
(A) Kerr效应引起的共振双稳态。DKS在高功率CW分支（黑色）衰减到孤子分支（绿色）时形成。
(B) 使用矢量网络分析仪观察到的孤子(S)和腔体(C)双共振响应。
(C, D) 分别为三个不同失谐条件(\(\Delta_1\)、\(\Delta_2\)、\(\Delta_3\))下的光学和电子光谱。
(E) 从电子光谱中提取的耦合参数和孤子脉冲持续时间的失谐依赖关系。
结论与展望
本研究展示了自由电子与非线性光学态的相互作用，证明了其在超快成像和光学孤子监测中的潜力。未来研究将专注于优化电子与光学腔场的耦合效率，并探索更多复杂光学态的电子能谱特性，以推动其在量子信息和粒子加速中的应用。
论文直达
原文标题：Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators
Science 2024, 383, 168–173.
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