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成果簡介

在智能制造和力傳感等應用中，僅以幾納米的精度對物體的位置和對齊進行光學監測是關鍵。傳統的光學納米測量需要精確的納米結構制備、多光束干涉或復雜的后處理算法，有時會阻礙該技術的廣泛采用。基于此，國防科技大學劉肯教授和朱志宏教授、湖南師范大學景輝教授以及新加坡國立大學邱成偉教授（共同通訊作者）等人報道了一種簡化而穩定的方法，可以實現低至2 nm分辨率的納米計量，從而消除了干涉測量所需的任何參考信號。

作者將鉺（Er）摻雜石英晶體吸收器插入到長度為3 cm的單個Fabry-Pérot腔中，然后通過將光學損耗與腔間耦合匹配來誘導異常點。對比無損方法，通過實驗實現了位移響應增強86倍，并且理論上認為可以實現450倍以上的增強，對應于亞納米分辨率。作者還展示了信噪比的5倍增強，從而證明非-厄米（Hermitian）傳感器可以比厄米傳感器帶來更好的性能。

相關工作以《Single-cavity loss-enabled nanometrology》為題在《Nature Nanotechnology》上發表論文。

圖文解讀

一個毫米級多層介質反射鏡，安裝在納米定位臺上（步長為2 nm），放置在長度為3 cm的Fabry-Pérot腔的中心。作者在腔內插入一個光學吸收器，并通過仔細匹配光學損耗和腔間耦合來誘導EPs。吸收器具有波長依賴的吸收特性，便于損耗調節；中央反射鏡具有波長無關的透射特性，以保持穩定的κ。當吸收器不存在時，當Δx=0，∣r_c∣=1時，特征頻率表面相互接觸，并且該簡并點分裂為不可避免的非零耦合（∣r_c∣<1）。透射峰v_p與諧振頻率v_r有很大的偏離，在簡并點處繼承了其亞線性行為，但隨著γ的變化更為迅速。

圖1.插入損耗的納米位移檢測

作者將模擬透射譜繪制為厄米情況下，入射激光失諧和Δx的函數，并清楚地顯示了一個腔節點周圍的二次響應。因此，傳輸峰值頻移Δv在避免的交叉點附近趨向于非常小，例如，Δv_AB，對于Δx_AB≈2 nm，Δv_{AB, H}≈1.5 MHz。相反，弱響應在EP附近被放大，例如位移Δx_AC和Δx_AB分別放大了30.7倍或超過86.6倍。隨著Δx的增加遠離EPs， Δv逐漸減小并接近線性響應。

圖2.厄米位移和非-厄米位移傳感的透射光譜

此外，作者還展示了損耗增強納米計量學。當發生位移擾動時，厄米情況下的峰位移非常弱，具有抑制的二次響應。相反，大大增強的響應表現出亞線性行為。根據Δv與Δx的計算結果，該響應可以在較小的位移下放大450倍以上，例如在Δx=0.5 nm處。此外，EP附近的增強響應是雙向的，即位移的增加或減少可以被極大地放大，位移的方向由Δv符號確定。在厄米情況下，χ_H被嚴重抑制。這種抑制可以通過增加∣r_c∣來緩解，但最高靈敏度不會超過4FSR/λ，其中FSR=5 GHz是整個腔的自由光譜范圍。二次響應表明，χ_H在Δx=0附近趨近于零。對于靠近極電位的非厄米情況下，極限被打破，靈敏度被極大放大。

圖3.損耗增強了靈敏度和SNR

文獻信息

Single-cavity loss-enabled nanometrology. Nature Nanotechnology, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01729-8.

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