日前，北京大學(xué)物理學(xué)院、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室肖云峰教授和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組在微腔激光研究中取得重要進(jìn)展。他們著眼于解決學(xué)術(shù)界長(zhǎng)久以來(lái)關(guān)于微腔超模受激散射激射譜性質(zhì)的爭(zhēng)議，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，明確地揭示了微腔超模拉曼激光的單模特性，同時(shí)通過(guò)激光自注入的方法實(shí)現(xiàn)了激射模式的動(dòng)態(tài)切換。

近簡(jiǎn)并光學(xué)超模產(chǎn)生的微腔激光在非厄米物理學(xué)、片上相干光源和高靈敏傳感等光子學(xué)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用領(lǐng)域潛力巨大，因此長(zhǎng)期以來(lái)都是研究熱點(diǎn)。其中，以拉曼激光為代表的受激散射激光因具有超窄的線寬、靈活的工作波長(zhǎng)和增益材料等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。然而，盡管微腔超模受激散射激光已在納米顆粒檢測(cè)和超靈敏光學(xué)陀螺儀等研究中取得重要進(jìn)展，但其激光模式的光譜特性一直存在較大爭(zhēng)議：一方面，模式競(jìng)爭(zhēng)理論指出，受激散射激光的增益鉗制效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致單模激射；另一方面，人們?cè)谖⑶怀＠す庵袕V泛觀察到的拍頻現(xiàn)象則被認(rèn)為是雙模激射的標(biāo)志。這一爭(zhēng)議的懸而未決阻礙了超模激光的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

微腔超模拉曼激光及其調(diào)控示意圖

回音壁微腔中相向傳播的行波模式可以相互耦合形成一對(duì)光學(xué)超模；基于這一體系，課題組首次實(shí)驗(yàn)證明了超模拉曼激光的單模特性。他們產(chǎn)生了低閾值超模拉曼激光，并利用分插耦合結(jié)構(gòu)直接觀測(cè)腔中泵浦光場(chǎng)的能量，從而證明了超模拉曼激光中的增益鉗制效應(yīng)。他們采用外差干涉方法，進(jìn)一步測(cè)得激光的邊模抑制比超過(guò)30 dB，有力地證實(shí)了其單模特性。為了探索拍頻現(xiàn)象的物理來(lái)源，課題組采用激光自注入方法，將輸出的部分拉曼激光再次耦合進(jìn)入微腔并與反方向的光場(chǎng)干涉，從而動(dòng)態(tài)調(diào)控兩個(gè)光學(xué)超模的損耗。此時(shí)，時(shí)域上的拉曼出射激光出現(xiàn)以往實(shí)驗(yàn)中觀察到的周期性拍頻信號(hào)。研究人員結(jié)合理論計(jì)算分析，解釋了拍頻信號(hào)來(lái)源于兩個(gè)激射模式交替過(guò)程中的動(dòng)態(tài)干涉，而非穩(wěn)定的雙模激射。這項(xiàng)工作為基于微腔激光器的高靈敏光學(xué)傳感提供了有效指導(dǎo)，同時(shí)也有望在片上可重構(gòu)光源和低損耗光學(xué)存儲(chǔ)器等應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

拉曼激光對(duì)腔內(nèi)激發(fā)光的鉗制效應(yīng)（左）和時(shí)域上拉曼激光的周期性拍頻信號(hào)（右）

相關(guān)研究成果以“Single-mode characteristic of a supermode Raman laser（微腔超模拉曼激光的單模特性）”為題，發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。物理學(xué)院2018級(jí)博士研究生張沛吉和2016級(jí)本科生紀(jì)青鑫為論文的共同第一作者。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等支持。

作者/來(lái)源：科轉(zhuǎn)云