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成果简介

在智能制造和力传感等应用中，仅以几纳米的精度对物体的位置和对齐进行光学监测是关键。传统的光学纳米测量需要精确的纳米结构制备、多光束干涉或复杂的后处理算法，有时会阻碍该技术的广泛采用。基于此，国防科技大学刘肯教授和朱志宏教授、湖南师范大学景辉教授以及新加坡国立大学邱成伟教授（共同通讯作者）等人报道了一种简化而稳定的方法，可以实现低至2 nm分辨率的纳米计量，从而消除了干涉测量所需的任何参考信号。

作者将铒（Er）掺杂石英晶体吸收器插入到长度为3 cm的单个Fabry-Pérot腔中，然后通过将光学损耗与腔间耦合匹配来诱导异常点。对比无损方法，通过实验实现了位移响应增强86倍，并且理论上认为可以实现450倍以上的增强，对应于亚纳米分辨率。作者还展示了信噪比的5倍增强，从而证明非-厄米（Hermitian）传感器可以比厄米传感器带来更好的性能。

相关工作以《Single-cavity loss-enabled nanometrology》为题在《Nature Nanotechnology》上发表论文。

图文解读

一个毫米级多层介质反射镜，安装在纳米定位台上（步长为2 nm），放置在长度为3 cm的Fabry-Pérot腔的中心。作者在腔内插入一个光学吸收器，并通过仔细匹配光学损耗和腔间耦合来诱导EPs。吸收器具有波长依赖的吸收特性，便于损耗调节；中央反射镜具有波长无关的透射特性，以保持稳定的κ。当吸收器不存在时，当Δx=0，∣r_c∣=1时，特征频率表面相互接触，并且该简并点分裂为不可避免的非零耦合（∣r_c∣<1）。透射峰v_p与谐振频率v_r有很大的偏离，在简并点处继承了其亚线性行为，但随着γ的变化更为迅速。

图1.插入损耗的纳米位移检测

作者将模拟透射谱绘制为厄米情况下，入射激光失谐和Δx的函数，并清楚地显示了一个腔节点周围的二次响应。因此，传输峰值频移Δv在避免的交叉点附近趋向于非常小，例如，Δv_AB，对于Δx_AB≈2 nm，Δv_{AB, H}≈1.5 MHz。相反，弱响应在EP附近被放大，例如位移Δx_AC和Δx_AB分别放大了30.7倍或超过86.6倍。随着Δx的增加远离EPs， Δv逐渐减小并接近线性响应。

图2.厄米位移和非-厄米位移传感的透射光谱

此外，作者还展示了损耗增强纳米计量学。当发生位移扰动时，厄米情况下的峰位移非常弱，具有抑制的二次响应。相反，大大增强的响应表现出亚线性行为。根据Δv与Δx的计算结果，该响应可以在较小的位移下放大450倍以上，例如在Δx=0.5 nm处。此外，EP附近的增强响应是双向的，即位移的增加或减少可以被极大地放大，位移的方向由Δv符号确定。在厄米情况下，χ_H被严重抑制。这种抑制可以通过增加∣r_c∣来缓解，但最高灵敏度不会超过4FSR/λ，其中FSR=5 GHz是整个腔的自由光谱范围。二次响应表明，χ_H在Δx=0附近趋近于零。对于靠近极电位的非厄米情况下，极限被打破，灵敏度被极大放大。

图3.损耗增强了灵敏度和SNR

文献信息

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

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