微結(jié)構(gòu)以增益、非線性、內(nèi)部散射和邊界效應(yīng)為特征，為探索隨機激光、混沌和多維散斑等復(fù)雜光學(xué)現(xiàn)象提供了一個特殊的平臺。具體而言，在微腔和光纖中產(chǎn)生的復(fù)雜激光，在其中強光約束和散射發(fā)揮著不同的作用，已成為激光研究的一個重要分支。

最近，材料、微納技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展為復(fù)雜激光器的產(chǎn)生、控制和應(yīng)用帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。在此，天津航海儀器研究所、電子科技大學(xué)和深圳大學(xué)的研究人員（天津市量子精密測量重點實驗室朱洪楊博士和電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點實驗室博士研究生何真為共同第一作者，電子科技大學(xué)的張偉利教授和深圳大學(xué)高等研究院的馬瑞副研究員為通信作者）從微腔結(jié)構(gòu)無序度漸增的視角出發(fā)，系統(tǒng)地研究了各種類型的微腔復(fù)合激光器的產(chǎn)生、調(diào)控及前沿應(yīng)用進(jìn)展。主要介紹了無序微腔激光器的歷史發(fā)展、特點、規(guī)律和應(yīng)用，并對微腔復(fù)合激光器的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論。該成果以“Microcavity complex lasers：from order to disorder”為題，以特邀綜述發(fā)表于ANNALEN DER PHYSIK上。

復(fù)雜無序系統(tǒng)廣泛存在于自然和人工介質(zhì)中，引起了人們的廣泛關(guān)注，從鳥類和蟬的翅膀生長到肌肉纖維組織中的無序分子碰撞，最后延伸到各種人工制備的系統(tǒng)。英國著名物理學(xué)家霍金預(yù)言，“21世紀(jì)將是復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的世紀(jì)。”2021年諾貝爾物理學(xué)獎授予研究復(fù)雜無序系統(tǒng)的科學(xué)家喬治·帕里西，以表彰他對自旋玻璃態(tài)的研究。有序和隨機現(xiàn)象理論對物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機器學(xué)習(xí)等研究領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。普遍存在的復(fù)雜無序系統(tǒng)可以為實現(xiàn)激光器的新特性和新功能提供廣泛的材料。因此，出現(xiàn)了許多復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，如對稱性破壞、隨機激光、混沌光、神經(jīng)元樣事件等。這些現(xiàn)象會導(dǎo)致不可預(yù)測的激光輸出和參數(shù)混亂。同時，它們還可以引入高效的激光輸出特性，產(chǎn)生具有低閾值和定向輸出的高質(zhì)量激光，并為激光控制提供更多的自由度。

激光，即受激輻射光放大，是20世紀(jì)人類最重要的發(fā)明之一，與原子核能和半導(dǎo)體器件并列，代表了量子理論的一項重大成就。它被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)確的尺子”和“最明亮的光”，因為它具有高單色性、高亮度和強指向性的特點。激光腔的傳統(tǒng)設(shè)計需要精確的對稱分布、固定的幾何配置和穩(wěn)定的活性介質(zhì)。這確保了諧振機制和相關(guān)輸出參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性。然而，它也減少了參數(shù)控制的自由度。因此，學(xué)術(shù)界開始在跨學(xué)科領(lǐng)域探索優(yōu)化的制備方法，旨在使激光器更簡單、更高效、低成本、易于調(diào)諧。

典型的激光器由三個基本元件組成：泵浦源、放大受激輻射的增益介質(zhì)和產(chǎn)生光學(xué)諧振的腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光器的腔尺寸接近微米或亞微米時，它產(chǎn)生了當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點之一：微腔激光器，它能夠在小體積內(nèi)實現(xiàn)顯著的光和材料相互作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。將微腔與復(fù)雜系統(tǒng)相結(jié)合，例如引入不規(guī)則或無序的腔邊界，或?qū)?fù)雜和無序的工作介質(zhì)引入微腔，為激光輸出增加了更多的自由度，豐富了激光機制的多維調(diào)節(jié)方法。此外，無序腔的物理不可克隆特性導(dǎo)致了輸出的隨機性。復(fù)雜微腔激光器的輸出通常是不可預(yù)測的和參數(shù)無序的，阻礙了其在傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，有必要研究微腔中光與物質(zhì)的相互作用機制，有效地調(diào)制復(fù)雜激光器的輸出特性，以充分利用這些激光器的獨特優(yōu)勢，擴大其應(yīng)用潛力。圖1為微腔復(fù)雜激光器的研究體系。

圖1 微腔復(fù)雜激光器的研究體系。

1、隨機微腔激光器的不同系統(tǒng)

研究人員從不同腔體維度的角度對隨機微腔激光器進(jìn)行分類。這種區(qū)分不僅突出了隨機微腔激光在不同維度上的獨特輸出特性，也闡明了隨機微腔的尺寸差異在各種調(diào)控和應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢，其中三維固態(tài)微腔通常具有較小的模體積，從而實現(xiàn)更強的光物質(zhì)相互作用。由于其三維封閉結(jié)構(gòu)，光場可以在三個維度上高度局域化，通常具有高品質(zhì)因子。這些特性使其適用于高精度傳感、光子存儲、量子信息處理等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。

而開放的二維薄膜系統(tǒng)是構(gòu)建無序平面結(jié)構(gòu)的理想平臺，薄膜系統(tǒng)可以作為具有集成增益和散射的二維無序介質(zhì)平面，積極參與隨機激光的生成。“平面波導(dǎo)效應(yīng)”使激光的耦合和收集更加容易。隨著腔體維度進(jìn)一步降低，將反饋和增益介質(zhì)集成到一維波導(dǎo)中，可以抑制徑向光散射，同時增強軸向光的共振和耦合，這種集成方式最終提高了激光產(chǎn)生和耦合的效率。

2、隨機微腔激光器的調(diào)控特性

傳統(tǒng)激光器的多種指標(biāo)，如相干性、閾值、輸出方向和偏振特性等，都是衡量激光器輸出性能的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。與具有固定對稱腔體的傳統(tǒng)激光器相比，隨機微腔激光器在參數(shù)調(diào)控方面提供了更大的靈活性，體現(xiàn)在包括時域、光譜域和空域等多個維度，突顯了隨機微腔激光的多維可控性。

例如，通過優(yōu)化泵浦參數(shù)、調(diào)整散射強度和改變增益介質(zhì)的發(fā)光效率來調(diào)節(jié)隨機激光的閾值。隨機激光的輸出模式本質(zhì)上是無序的，表現(xiàn)為低空間相干性（無散斑）和低時間相干性（具有大量縱模），與通常僅有單一輸出模式的傳統(tǒng)激光器相比，隨機激光的低相干性為研究模式調(diào)制提供了眾多可控自由度。目前，研究人員廣泛采用的方法是通過泵浦自適應(yīng)調(diào)整來實現(xiàn)隨機激光的定向輸出、單一光譜模式及其對應(yīng)空間模式的選擇輸出。此外，隨機激光的方向性與散射路徑密切相關(guān)，通過優(yōu)化微腔載體、優(yōu)化泵浦形狀以及利用外場控制內(nèi)部介質(zhì)等方式，可以有效減少隨機激光器的全向發(fā)射缺陷。

3、隨機微腔激光器的應(yīng)用特性

低空間相干性、模式隨機性和對環(huán)境敏感特性等為隨機微腔激光器的應(yīng)用提供了許多有利因素。隨著隨機激光的模式控制和方向調(diào)控問題的解決，這種獨特的光源越來越多地應(yīng)用于成像、醫(yī)學(xué)診斷、傳感、信息通信等領(lǐng)域。作為微納尺度的無序微腔激光器，隨機微腔激光器對環(huán)境變化非常敏感，其參數(shù)特性可以響應(yīng)各種監(jiān)測外部環(huán)境的敏感指標(biāo)，如溫度、濕度、pH值、液體濃度、折射率等，為實現(xiàn)高靈敏度的傳感應(yīng)用創(chuàng)造了一個優(yōu)越的平臺。

在成像領(lǐng)域，理想的光源應(yīng)具有高光譜密度、強定向輸出和低空間相干性，以防止干涉散斑效應(yīng)。研究人員們通過在鈣鈦礦、生物膜、液晶散射體和細(xì)胞組織等載體中均驗證了隨機激光在無散斑成像中的優(yōu)勢。在醫(yī)學(xué)診斷中，隨機微腔激光可以攜帶來自生物宿主的散射信息，成功應(yīng)用于檢測各種生物組織，為無創(chuàng)醫(yī)療診斷提供了便利。

總之，研究人員總結(jié)了自然界和人工環(huán)境中廣泛存在的無序結(jié)構(gòu)中包含的復(fù)雜激光現(xiàn)象，定義了微腔復(fù)雜激光的概念，梳理了不同類型的微腔復(fù)雜激光，并重點介紹了隨機微腔激光的發(fā)展、調(diào)控及應(yīng)用。

未來，對無序微腔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜激光生成機制的系統(tǒng)分析將變得更加完善。隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，可預(yù)期將制造出更加精細(xì)和功能化的無序微腔結(jié)構(gòu)，在推動基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用方面具有巨大潛力。