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。
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勢。然而一個關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了重要進展。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。
圖1：微腔超模拉曼激光及其調控示意圖
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》（ PNAS）。北京大學物理學院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。
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，受激散射激光的增益鉗制效應會導致單模激射；另一方面，在微腔超模拉曼激光中廣泛觀察到的拍頻現象，為雙模激射的提供了證據。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。
北京大學博士后研究員曹啟濤說：“這種跳動現象確實與教科書中的內容相矛盾，但它確實存在，所以我們認為有一些物理特性沒有被發現。”研究人員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超模（圖1）；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。
研究人員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（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）
該校的博士生張培基表示，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。
實驗上，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以干擾腔內激光場。使用自注入方法，之前觀察到的周期性拍頻現象出現在時域中。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。
在應用方面，這種自注入方法可能有助于選擇性地產生簡并激光器并改善其邊模抑制比。“我們的研究結果清楚地闡明了關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傳感提供了有效指導，同時也為重構光源和低損耗光學存儲器等應用中發揮了重要作用。”
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