利用显微角分辨光谱系统对光-物质强耦合进行色散特性表征

【资料图】

【概述】在过去的30年里，光-物质强耦合的研究取得了显著的进展，从基础物理机理研究到器件应用，对光电子学领域产生了深远的影响。随着光谱技术的发展，人们对光子动量空间、相干性、光学非线性和拓扑结构等领域有了更深入的科学探索，为新型光子耦合器件发展打下了夯实的基础。

追溯到19世纪末期，光与物质仅仅被视为相互独立的个体（图1），直到20世纪初，量子力学的发展推动了光与物质的探索，科学家们认识到光与物质可能存在相互作用。事实上，光-物质强耦合的基本原理与耦合谐振子类似（图2），在强耦合状态下，光子与电子周期性的交换能量并形成整体系统，产生新的能级结构和分离的混合态；与此同时，研究手段也从最初的棱镜色散型光谱仪发展为角分辨光谱系统，大大促进了人类对光与物质相互作用更深层次的理解。

【样品 & 测试】图3a展示了一种能够发生光-物质强耦合效应的微腔结构，其主要构成是聚乙酸乙烯酯（PVAc）薄层和 Ge 衬底上的两个对称 Au 反射镜。在所构建的微腔内，C=O 键在中红外波段振动跃迁产生共振，形成两个由拉比分裂分开的混合态。图3b为全角度入射条件下混合态的显微角分辨色散图，该图清晰展示了混合态的色散特性。此外，从该色散数据中可以获得拉比分裂能为 20.7meV，这超过了相干性的衰减速率，从而证明了微腔系统中存在强耦合状态。

光-物质强耦合产生的混合态色散特性是研究这类问题的关键。为了实现对混合态色散特性的精确测量，复享光学自主研发了基于光学傅里叶变换技术的显微角分辨光谱系统 ARMS，该系统具有以下特点： 精细的角度分辨 ，角分辨率可达< 1.9 mrad @VIS，< 20 mrad @NIR； 超宽光谱探测 ，最宽可达 400~1650nm 的光谱探测； 瞬态光谱采集能力 ，毫秒级实现全角度角分辨光谱检测；丰富的测量模式，包含反射透射等9 种光谱测量模式。ARMS 可提供全方位的高效显微角分辨光谱表征，为研究光-物质强耦合效应的本质及设计、优化相关器件提供有力的技术保障。

【总结】光-物质强耦合作为光与物质相互作用产生的一种物理现象，复享光学的显微角分辨光谱系统 ARMS 为研究人员提供了一个强大的角分辨光谱表征工具，为揭示光-物质强耦合系统的色散特性提供了强有力的技术保障。未来，复享光学的 ARMS 将继续在微纳光子学研究领域发挥关键作用，进一步推动光子学技术进步。

【参考文献】

✽ Ghost S; Xiong Q;,et al.Microcavity exciton polaritons at room temperature. Photonics Insights (2022).

✽ Hertzog M;Borjesson K;,et al. Strong light–matter interactions: a new direction within chemistry. Chem. Soc. Rev (2019). 

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✽ Luo S;Chen Z;,et al.Nanophotonics of microcavity exciton–polaritons. Appl. Phys. Rev. (2023).

✽ Shalabney A;Ebbesen T. W.;,et al. Enhanced Raman Scattering from Vibro-Polariton Hybrid States. Angew. Chem (2015).