日前，北京大學物理學院、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室肖云峰教授和龔旗煌院士領導的課題組在微腔激光研究中取得重要進展。他們著眼于解決學術界長久以來關于微腔超模受激散射激射譜性質的爭議，通過理論分析和實驗研究，明確地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現了激射模式的動態切換。
近簡并光學超模產生的微腔激光在非厄米物理學、片上相干光源和高靈敏傳感等光子學基礎理論及應用領域潛力巨大，因此長期以來都是研究熱點。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勢而備受關注。然而，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陀螺儀等研究中取得重要進展，但其激光模式的光譜特性一直存在較大爭議：一方面，模式競爭理論指出，受激散射激光的增益鉗制效應會導致單模激射；另一方面，人們在微腔超模拉曼激光中廣泛觀察到的拍頻現象則被認為是雙模激射的標志。這一爭議的懸而未決阻礙了超模激光的進一步研究和應用。
微腔超模拉曼激光及其調控示意圖
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光學超模；基于這一體系，課題組首次實驗證明了超模拉曼激光的單模特性。他們產生了低閾值超模拉曼激光，并利用分插耦合結構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。他們采用外差干涉方法，進一步測得激光的邊模抑制比超過30 dB，有力地證實了其單模特性。為了探索拍頻現象的物理來源，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入微腔并與反方向的光場干涉，從而動態調控兩個光學超模的損耗。此時，時域上的拉曼出射激光出現以往實驗中觀察到的周期性拍頻信號。研究人員結合理論計算分析，解釋了拍頻信號來源于兩個激射模式交替過程中的動態干涉，而非穩定的雙模激射。這項工作為基于微腔激光器的高靈敏光學傳感提供了有效指導，同時也有望在片上可重構光源和低損耗光學存儲器等應用中發揮重要作用。
拉曼激光對腔內激發光的鉗制效應（左）和時域上拉曼激光的周期性拍頻信號（右）
相關研究成果以“Single-mode characteristic of a supermode Raman laser（微腔超模拉曼激光的單模特性）”為題，發表于《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。物理學院2018級博士研究生張沛吉和2016級本科生紀青鑫為論文的共同第一作者。上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和博士后創新人才支持計劃等支持。
作者/來源：科轉云
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