近日，我室王振民硕士研究生和吴端端副研究员，联合中国科学院深圳先进技术研究院的顾国强副研究员，在光学领域期刊Optics & Laser Technology上发表了题为“Numerical study on the excitation of whispering gallery modes by free-space coupling with photonic nanojets”的研究论文。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113050

       该研究提出并数值验证了一种基于光子纳米喷流的自由空间耦合新方法，用于高效激发介质微腔中的回音壁模式，为集成光子器件与微型光学传感系统提供了新的耦合思路。

       回音壁模式光学微腔因具有高品质因子和小模式体积，在激光器、传感、量子光学等领域应用广泛。然而，如何高效地将光耦合进微腔始终是技术难点。传统耦合方式如锥形光纤或波导耦合效率高，但工艺要求高、稳定性差；而自由空间耦合方式虽结构简单，但受限于光束聚焦能力，耦合效率往往不高。

       本研究创新性地利用光子纳米喷流——一种由介质微颗粒产生的具有高强度、窄束腰的光束——作为耦合媒介，实现自由空间光场到微腔模式的高效能量传递。研究通过数值仿真系统分析了双层微圆柱产生长距离光子纳米喷流的特性，并深入探究了微腔与喷流之间的相对位置、环境折射率等因素对耦合效率的影响。研究还首次观察并解释了光子纳米喷流与回音壁模式在单一结构中共存的物理现象，揭示了反射光在耦合过程中的重要影响。

       该耦合方法结构简单、调节灵活，无需复杂透镜系统，尤其适用于微纳尺度集成光学系统，为微型化光学传感器、片上激光器及量子光源等器件设计提供了新方案。

图表 1 基于光纳米喷射流耦合回音壁微腔仿真示意图

图表 2不同结构参数下光纳米喷射流的光场分布(a)为单层微球激发的PNJ光场分布；(b)为(a)中场强最大处的光场横截面分布；(c)为双层微球激发的PNJ光场分布；(d)为(c)中场强最大处的光场横截面分布。

图表 3 (a)使用PNJ激发高阶模回音壁时的光场示意图；(b)使用PNJ激发基模回音壁时的光场示意图；(c)模型在不同方向的透过光谱