近簡并光學(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，因此長期以來都是研究熱點(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、靈活的工作波長和增益材料等優(yōu)勢而備受關(guān)注。

微腔超模中的受激散射例如拉曼或布里淵激光器，通過利用激光光譜中的拍頻，在精確測量方面顯示出前所未有的優(yōu)勢。然而一個關(guān)鍵問題卻困擾著研究人員二十年，這個問題就是微腔超模激光器是單模還是雙模？
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)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗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了重要進(jìn)展。他們著眼于解決學(xué)術(shù)界長久以來關(guān)于微腔超模受激散射激射譜性質(zhì)的爭議，通過理論分析和實(shí)驗研究，明確揭示了微腔超模拉曼激光的單模特性，同時通過激光自注入的方法實(shí)現(xiàn)了激射模式的動態(tài)切換。

圖1：微腔超模拉曼激光及其調(diào)控示意圖

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《美國國家科學(xué)院院刊》（ PNAS）。北京大學(xué)物理學(xué)院2018級博士研究生張沛吉和2016級本科生紀(jì)青鑫為論文的共同第一作者。

盡管微腔超模受激散射激光已在納米顆粒檢測和超靈敏光學(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議。一方面，受激散射激光的增益鉗制效應(yīng)會導(dǎo)致單模激射；另一方面，在微腔超模拉曼激光中廣泛觀察到的拍頻現(xiàn)象，為雙模激射的提供了證據(jù)。這一爭議的懸而未決阻礙了超模激光的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

北京大學(xué)博士后研究員曹啟濤說：“這種跳動現(xiàn)象確實(shí)與教科書中的內(nèi)容相矛盾，但它確實(shí)存在，所以我們認(rèn)為有一些物理特性沒有被發(fā)現(xiàn)?！毖芯咳藛T利用表面散射以及回音壁微腔中相向傳播的行波模式，相互耦合形成一對光學(xué)超模（圖1）；基于這一體系，課題組首次實(shí)驗證明了超模拉曼激光的單模特性。

研究人員產(chǎn)生了低閾值超模拉曼激光，并利用分插耦合結(jié)構(gòu)直接觀測腔中泵浦光場的能量，從而證明了超模拉曼激光中的增益鉗制效應(yīng)（圖2）。此外，他們還借助外差方法，測得的邊模抑制比（SMSR）超過30 dB，從而明確證明了超模微腔中拉曼激光器的單模特性。

圖2：拉曼激光對腔內(nèi)激發(fā)光的鉗制效應(yīng)（左）和時域上拉曼激光的周期性拍頻信號（右）

該校的博士生張培基表示，為了探索拍頻現(xiàn)象的物理來源，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干涉，從而動態(tài)調(diào)控兩個光學(xué)超模的損耗。

實(shí)驗上，研究人員將自注入方法引入輸出激光上的弱反射，將部分輸出激光注入腔內(nèi)以干擾腔內(nèi)激光場。使用自注入方法，之前觀察到的周期性拍頻現(xiàn)象出現(xiàn)在時域中。此時，時域上的拉曼出射激光出現(xiàn)以往實(shí)驗中觀察到的周期性拍頻信號。研究人員結(jié)合理論計算分析，解釋了拍頻信號來源于兩個激射模式交替過程中的動態(tài)干涉，而非穩(wěn)定的雙模激射。

在應(yīng)用方面，這種自注入方法可能有助于選擇性地產(chǎn)生簡并激光器并改善其邊模抑制比?！拔覀兊难芯拷Y(jié)果清楚地闡明了關(guān)于微腔超模中受激散射的激光光譜悖論長期存在的爭論，”肖云峰談到，“此外，這項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)，同時也為重構(gòu)光源和低損耗光學(xué)存儲器等應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。”