机械振动的光学测量和控制是物理学和工程学中许多技术和基础进步的核心。纳米尺度下腔光学机械系统的实现可以将光局域在亚波长体积尺度，从而增强纳米机械结构的光子与声子之间的强光力耦合，利用这种耦合可以实现非常广泛的应用，例如高灵敏度的力和位移的测量，微腔冷却，生物传感以及光力诱导透明等等。

铌酸锂（LN）晶体以其优越的非线性光学特性，已经是使用最广泛的光学材料之一。而随着半导体制备工艺在商用光学级铌酸锂薄膜上的广泛使用和日趋成熟，该材料的力，热，声性能也吸引了越来越多的研究兴趣。我们在300 nm厚度的铌酸锂薄膜上，制备了40 um长的一维铌酸锂光子晶体微腔，并研究了此一维铌酸锂光子晶体微腔的光力耦合特性。实验中，随着铌酸锂光子晶体微腔内功率的增加，我们观察到了机械振动频率移动以及高阶非线性机械振荡。在腔内功率为430 uW时，我们观测到了最高14阶的机械谐振。此外，我们还观测到了铌酸锂光子晶体器件正相关的频率温度变化，这与铌酸锂晶体的负的固有温度系数明显不同。铌酸锂光子晶体微腔的这些光力特性，在光子-声子耦合，高灵敏检测系统 (力学检测、质量检测等)以及机械频率梳等方面，具有广泛的应用前景。以上研究工作由上海交通大学先进光子学材料和物理实验室的陈玉萍教授，陈险峰教授课题组与美国罗切斯特大学林强教授课题组合作完成。

图一：(a) 光子晶体谐振腔的扫描电子显微照片。插图：光子晶体谐振腔的两个单胞，尺寸为w = 750 nm，晶格常数a = 545 nm。(b) 器件模式的色散耦合的位移场。(c)色散耦合谐振线形的变化。(d) 光学模式的中央位置机械振荡信号强度几乎为零。

图二：由实时频谱分析仪获得的机械振动频谱，频率范围为0–40 MHz。其中蓝色，红色，橙色和紫色曲线的腔内功率分别为0 uW，43 uW，136 uW和430 uW。上部插图显示了在LN光子晶体谐振腔中观察到的更详细的高阶光机械振荡。下部插图为通过有限元方法模拟的机械位移场（27.2 MHz）。

该成果发表在：Haowei Jiang, Xiongshuo Yan, Hanxiao Liang, Rui Luo, Xianfeng Chen, Yuping Chen* and   Qiang Lin*, High harmonic optomechanical oscillations in the lithium niobate photonic crystal nanocavity, Appl. Phys. Lett. 117, 081102 (2020)

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0016334