微結構以增益、非線性、內部散射和邊界效應為特征，為探索隨機激光、混沌和多維散斑等復雜光學現象提供了一個特殊的平臺。具體而言，在微腔和光纖中產生的復雜激光，在其中強光約束和散射發揮著不同的作用，已成為激光研究的一個重要分支。
最近，材料、微納技術和人工智能的快速發展為復雜激光器的產生、控制和應用帶來了新的機遇和挑戰。在此，天津航海儀器研究所、電子科技大學和深圳大學的研究人員（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，電子科技大學的張偉利教授和深圳大學高等研究院的馬瑞副研究員為通信作者）從微腔結構無序度漸增的視角出發，系統地研究了各種類型的微腔復合激光器的產生、調控及前沿應用進展。主要介紹了無序微腔激光器的歷史發展、特點、規律和應用，并對微腔復合激光器的未來發展趨勢進行了討論。該成果以“Microcavity complex lasers：from order to disorder”為題，以特邀綜述發表于ANNALEN DER PHYSIK上。
復雜無序系統廣泛存在于自然和人工介質中，引起了人們的廣泛關注，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。英國著名物理學家霍金預言，“21世紀將是復雜系統科學的世紀?！?021年諾貝爾物理學獎授予研究復雜無序系統的科學家喬治·帕里西，以表彰他對自旋玻璃態的研究。有序和隨機現象理論對物理學、數學、生物學、神經科學和機器學習等研究領域產生了深遠的影響。普遍存在的復雜無序系統可以為實現激光器的新特性和新功能提供廣泛的材料。因此，出現了許多復雜的光學現象，如對稱性破壞、隨機激光、混沌光、神經元樣事件等。這些現象會導致不可預測的激光輸出和參數混亂。同時，它們還可以引入高效的激光輸出特性，產生具有低閾值和定向輸出的高質量激光，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世紀人類最重要的發明之一，與原子核能和半導體器件并列，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。激光腔的傳統設計需要精確的對稱分布、固定的幾何配置和穩定的活性介質。這確保了諧振機制和相關輸出參數的穩定性和一致性。然而，它也減少了參數控制的自由度。因此，學術界開始在跨學科領域探索優化的制備方法，旨在使激光器更簡單、更高效、低成本、易于調諧。
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和產生光學諧振的腔結構。當激光器的腔尺寸接近微米或亞微米時，它產生了當前學術界的研究熱點之一：微腔激光器，它能夠在小體積內實現顯著的光和材料相互作用，具有廣泛的應用前景。將微腔與復雜系統相結合，例如引入不規則或無序的腔邊界，或將復雜和無序的工作介質引入微腔，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節方法。此外，無序腔的物理不可克隆特性導致了輸出的隨機性。復雜微腔激光器的輸出通常是不可預測的和參數無序的，阻礙了其在傳統領域的應用。因此，有必要研究微腔中光與物質的相互作用機制，有效地調制復雜激光器的輸出特性，以充分利用這些激光器的獨特優勢，擴大其應用潛力。圖1為微腔復雜激光器的研究體系。
圖1 微腔復雜激光器的研究體系。
1、隨機微腔激光器的不同系統
研究人員從不同腔體維度的角度對隨機微腔激光器進行分類。這種區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控和應用領域的優勢，其中三維固態微腔通常具有較小的模體積，從而實現更強的光物質相互作用。由于其三維封閉結構，光場可以在三個維度上高度局域化，通常具有高品質因子。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技術領域。
而開放的二維薄膜系統是構建無序平面結構的理想平臺，薄膜系統可以作為具有集成增益和散射的二維無序介質平面，積極參與隨機激光的生成?！捌矫娌▽笔辜す獾鸟詈虾褪占尤菀?。隨著腔體維度進一步降低，將反饋和增益介質集成到一維波導中，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生和耦合的效率。
2、隨機微腔激光器的調控特性
傳統激光器的多種指標，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鍵標準。與具有固定對稱腔體的傳統激光器相比，隨機微腔激光器在參數調控方面提供了更大的靈活性，體現在包括時域、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，通過優化泵浦參數、調整散射強度和改變增益介質的發光效率來調節隨機激光的閾值。隨機激光的輸出模式本質上是無序的，表現為低空間相干性（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激光器相比，隨機激光的低相干性為研究模式調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調整來實現隨機激光的定向輸出、單一光譜模式及其對應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，通過優化微腔載體、優化泵浦形狀以及利用外場控制內部介質等方式，可以有效減少隨機激光器的全向發射缺陷。
3、隨機微腔激光器的應用特性
低空間相干性、模式隨機性和對環境敏感特性等為隨機微腔激光器的應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控問題的解決，這種獨特的光源越來越多地應用于成像、醫學診斷、傳感、信息通信等領域。作為微納尺度的無序微腔激光器，隨機微腔激光器對環境變化非常敏感，其參數特性可以響應各種監測外部環境的敏感指標，如溫度、濕度、pH值、液體濃度、折射率等，為實現高靈敏度的傳感應用創造了一個優越的平臺。
在成像領域，理想的光源應具有高光譜密度、強定向輸出和低空間相干性，以防止干涉散斑效應。研究人員們通過在鈣鈦礦、生物膜、液晶散射體和細胞組織等載體中均驗證了隨機激光在無散斑成像中的優勢。在醫學診斷中，隨機微腔激光可以攜帶來自生物宿主的散射信息，成功應用于檢測各種生物組織，為無創醫療診斷提供了便利。
總之，研究人員總結了自然界和人工環境中廣泛存在的無序結構中包含的復雜激光現象，定義了微腔復雜激光的概念，梳理了不同類型的微腔復雜激光，并重點介紹了隨機微腔激光的發展、調控及應用。
未來，對無序微腔結構和復雜激光生成機制的系統分析將變得更加完善。隨著材料科學和納米技術的不斷進步，可預期將制造出更加精細和功能化的無序微腔結構，在推動基礎研究和實際應用方面具有巨大潛力。
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