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手性激光能精準(zhǔn)地只激發(fā)或輸出某一種特定的振動(dòng)模式并抑制其他不需要的模式，相比普通激光更“專一”“精準(zhǔn)”，在量子光學(xué)、生物傳感、光通信等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士團(tuán)隊(duì)等，創(chuàng)新性提出一種通過光子晶體實(shí)現(xiàn)手性激光發(fā)射的路徑，為構(gòu)造實(shí)用的芯片級(jí)手性激光器提供新方案。
01
雙重挑戰(zhàn)
當(dāng)人們談?wù)摷す鈺r(shí)，腦海中往往浮現(xiàn)出一束筆直向前的光束，比如超市掃碼槍或激光筆發(fā)出的光。
其實(shí)，激光不僅能直線傳播，還能像陀螺一樣 “左旋”“右旋”，這種特性與分子或物體的手性（如左手與右手的鏡像對(duì)稱性）類似。在制藥、生物檢測(cè)、量子技術(shù)等需要區(qū)分左旋/右旋、左手性/右手性的應(yīng)用場(chǎng)景中，手性激光比普通激光更“懂行”，也更好用。
手性激光的核心是讓激光光束攜帶明確且單一的手性（如左旋渦旋或右旋渦旋），但光的手性容易受對(duì)稱性影響而失去專一性，且手性模式對(duì)溫度變化、材料缺陷等環(huán)境擾動(dòng)極為敏感。
抑制非手性模式而過度設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致激光效率大幅下降、無法實(shí)用。因此，如何實(shí)現(xiàn)手性激光的高效激發(fā)與穩(wěn)定調(diào)控，同時(shí)滿足集成化、實(shí)用化需求，是科學(xué)研究的一大挑戰(zhàn)。
02
集體共振賦能手性激光發(fā)射
研究團(tuán)隊(duì)提出的手性激光發(fā)射新路徑主要分兩步，首先是設(shè)計(jì)一種圓形邊界的有源光子晶體，利用其邊界散射效應(yīng)使原本離散的光子晶體模式形成集體振蕩。
▲集體振蕩現(xiàn)象圖示
集體振蕩，即多個(gè)獨(dú)立諧振體在相互作用下共同形成整體振蕩，且整體諧振特性與單個(gè)諧振體存在顯著差異的現(xiàn)象。比如，當(dāng)你逐一敲響一排編鐘時(shí)，每個(gè)鐘都有自己的音調(diào)，但當(dāng)它們同時(shí)振動(dòng)時(shí)，卻會(huì)產(chǎn)生一種全新的和聲。
集體振蕩通常是用實(shí)空間中相互作用的諧振體系來構(gòu)造。在圓形邊界散射效應(yīng)作用下，原本獨(dú)立傳播的多個(gè)光子晶體導(dǎo)模發(fā)生各向同性耦合，進(jìn)而在動(dòng)量空間形成了二重簡(jiǎn)并的集體振蕩，使得光束高度集中、傳輸效率大幅提升。
▲集體振蕩原理
03
給激光發(fā)射裝上“方向盤”
集體振蕩的實(shí)現(xiàn)只是第一步，讓激光“左旋”還是“右旋”？關(guān)鍵在于打破對(duì)稱。
研究團(tuán)隊(duì)巧妙地使用了“非對(duì)稱泵浦”技術(shù)。簡(jiǎn)單說，就是從晶體的不同位置注入能量，就像給兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的陀螺施加不等的推力，讓其中一個(gè)占據(jù)主導(dǎo)，進(jìn)而成功實(shí)現(xiàn)了單一手性的激光發(fā)射。
為證明實(shí)現(xiàn)激光的單一手性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：讓激光自己和自己“干涉”。就像水波相遇會(huì)形成明暗條紋一樣，手性激光的自干涉會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的“叉形條紋”。左旋和右旋激光的條紋叉口方向相反，清晰地顯示了它們的旋轉(zhuǎn)特性。更神奇的是，這種激光的中心強(qiáng)度為零，形成一個(gè) “相位奇點(diǎn)”——就像漩渦的中心，所有的能量都繞著這個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。
傳統(tǒng)的渦旋激光設(shè)備往往體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手性激光器不僅結(jié)構(gòu)更緊湊、集成度更高，還能在光的“手性”維度上提供新的調(diào)控自由度。
▲手性渦旋激射特征
這項(xiàng)研究向我們展示了微觀世界的精妙控制藝術(shù)，為構(gòu)造實(shí)用化的芯片級(jí)渦旋激光器提供了新思路，有望為量子/光子計(jì)算、傳感、微操控和手性鑒別提供高質(zhì)量光源。
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