來自華沙大學、軍事科技大學和南安普頓大學的科學家們展示了一種新型可調諧微激光，它能發射兩束光。“這些光束是圓偏振的，并且指向不同的角度。”華沙大學物理系的Jacek Szczytko教授說。這一成就是通過在微腔表面創建所謂的持續自旋螺旋獲得的。研究結果發表在《物理評論應用》（Physical Review Applied）雜志上。
兩束可調諧微激光，光束是圓偏振的，并 指向不同的角度。
為了達到這一效果，科學家們在光學微腔中填充了摻有有機激光染料的液晶。這種微腔由兩個完美的鏡子組成，它們彼此靠近，距離為2~3μm，這樣就可以在腔內形成一個固定的電磁波。鏡子之間的空間填充了一種特殊的光學介質-液晶，它是另外用一種特殊的鏡子涂層組織起來的。
“液晶的特征是它們細長的分子，打個比方說，它們梳在鏡子的表面，可以在外部電場的影響下站立，也會轉動填充空腔的其他分子。”來自華沙大學物理系的第一作者Marcin Muszynski說。
當傳播波的電場沿著分子振蕩時，當振蕩垂直于分子時，腔內的光以不同的方式與分子相互作用。液晶是一種雙折射介質，具有兩種折射率，這取決于電場振蕩的方向(即所謂的電磁波極化)。
在軍事科技大學獲得的激光微腔內分子的精確排列，導致了腔內出現兩種線偏振光模式。電場改變了光腔內分子的方向，從而改變了液晶層的有效折射率。因此，它控制所謂的光路的長度——光腔寬度和折射率的乘積，而折射率是發射光的能量(顏色)所依賴的。其中一種模態的能量不隨分子旋轉而改變，而另一種模態的能量則隨分子方向的改變而增加。
通過對放置在液晶分子之間的有機染料進行光刺激，獲得了具有嚴格定義能量的相干光輻射的激光效應。液晶分子的逐漸旋轉導致了這種激光的意想不到的特性。激光實現了這種可調模式:激光發射一個垂直于反射鏡表面的線偏振光束。液晶的使用使得光的波長隨著電場的變化可以平滑地調整多達40nm。
“然而，當我們旋轉液晶分子，使對分子取向敏感的模式和不改變其能量的模式的能量重疊時（也就是說，它們處于共振狀態）從空腔發出的光突然改變了它的偏振從線性到兩個圓形：右和左手，兩個圓極性在不同的方向上傳播，以若干度的角度。”華沙大學物理系的Jacek Szczytko教授說。
“激光的相位相干性以一種有趣的方式得到了證實。所謂的持續-自旋螺旋條紋模式，具有不同的光偏振，間隔3μm，出現在樣品的表面。理論計算表明，當兩束相對偏振光相參且兩種光模不可分時，可以形成這樣的圖案——這種現象可以與量子糾纏相比較。”Marcin Muszynski解釋說。
到目前為止，由于所使用的有機染料在強光的影響下緩慢光降解，激光器以脈沖方式工作。科學家們希望用更耐用的聚合物或無機材料（如鈣鈦礦）取代有機發射體，可以延長壽命。
“獲得的精確可調諧激光器可用于物理、化學、醫學和通信的許多領域。我們利用非線性現象創建一個完全光學的神經形態網絡。這種新的光子結構可以提供一個強大的機器學習工具，用于解決復雜的分類和推理問題，并以更快的速度和更高的速度處理大量信息能源效率。”華盛頓大學物理學院的 Barbara Pietka教授補充道。
相關鏈接：https://phys.org/news/2022-03-physicists-microlaser-emitting-circular.html
參考資料：Marcin Muszyński et al, Realizing Persistent-Spin-Helix Lasing in the Regime of Rashba-Dresselhaus Spin-Orbit Coupling in a Dye-Filled Liquid-Crystal Optical Microcavity, Physical Review Applied (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.014041
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