微結(jié)構(gòu)以增益、非線性、內(nèi)部散射和邊界效應(yīng)為特征，為探索隨機激光、混沌和多維散斑等復(fù)雜光學(xué)現(xiàn)象提供了一個特殊的平臺。具體而言，在微腔和光纖中產(chǎn)生的復(fù)雜激光，在其中強光約束和散射發(fā)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(shù)和人工智能的快速發(fā)展為復(fù)雜激光器的產(chǎn)生、控制和應(yīng)用帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。在此，天津航海儀器研究所、電子科技大學(xué)和深圳大學(xué)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(xué)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(xué)的張偉利教授和深圳大學(xué)高等研究院的馬瑞副研究員為通信作者）從微腔結(jié)構(gòu)無序度漸增的視角出發(fā)，系統(tǒng)地研究了各種類型的微腔復(fù)合激光器的產(chǎn)生、調(diào)控及前沿應(yīng)用進展。主要介紹了無序微腔激光器的歷史發(fā)展、特點、規(guī)律和應(yīng)用，并對微腔復(fù)合激光器的未來發(fā)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(fā)表于ANNALEN DER PHYSIK上。
復(fù)雜無序系統(tǒng)廣泛存在于自然和人工介質(zhì)中，引起了人們的廣泛關(guān)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(tǒng)。英國著名物理學(xué)家霍金預(yù)言，“21世紀將是復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的世紀。”2021年諾貝爾物理學(xué)獎授予研究復(fù)雜無序系統(tǒng)的科學(xué)家喬治·帕里西，以表彰他對自旋玻璃態(tài)的研究。有序和隨機現(xiàn)象理論對物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機器學(xué)習(xí)等研究領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠的影響。普遍存在的復(fù)雜無序系統(tǒng)可以為實現(xiàn)激光器的新特性和新功能提供廣泛的材料。因此，出現(xiàn)了許多復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，如對稱性破壞、隨機激光、混沌光、神經(jīng)元樣事件等。這些現(xiàn)象會導(dǎo)致不可預(yù)測的激光輸出和參數(shù)混亂。同時，它們還可以引入高效的激光輸出特性，產(chǎn)生具有低閾值和定向輸出的高質(zhì)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(fā)明之一，與原子核能和半導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計需要精確的對稱分布、固定的幾何配置和穩(wěn)定的活性介質(zhì)。這確保了諧振機制和相關(guān)輸出參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性。然而，它也減少了參數(shù)控制的自由度。因此，學(xué)術(shù)界開始在跨學(xué)科領(lǐng)域探索優(yōu)化的制備方法，旨在使激光器更簡單、更高效、低成本、易于調(diào)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(zhì)和產(chǎn)生光學(xué)諧振的腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光器的腔尺寸接近微米或亞微米時，它產(chǎn)生了當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點之一：微腔激光器，它能夠在小體積內(nèi)實現(xiàn)顯著的光和材料相互作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。將微腔與復(fù)雜系統(tǒng)相結(jié)合，例如引入不規(guī)則或無序的腔邊界，或?qū)?fù)雜和無序的工作介質(zhì)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(diào)節(jié)方法。此外，無序腔的物理不可克隆特性導(dǎo)致了輸出的隨機性。復(fù)雜微腔激光器的輸出通常是不可預(yù)測的和參數(shù)無序的，阻礙了其在傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，有必要研究微腔中光與物質(zhì)的相互作用機制，有效地調(diào)制復(fù)雜激光器的輸出特性，以充分利用這些激光器的獨特優(yōu)勢，擴大其應(yīng)用潛力。圖1為微腔復(fù)雜激光器的研究體系。
圖1 微腔復(fù)雜激光器的研究體系。
1、隨機微腔激光器的不同系統(tǒng)
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(qū)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(diào)控和應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢，其中三維固態(tài)微腔通常具有較小的模體積，從而實現(xiàn)更強的光物質(zhì)相互作用。由于其三維封閉結(jié)構(gòu)，光場可以在三個維度上高度局域化，通常具有高品質(zhì)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(shù)領(lǐng)域。
而開放的二維薄膜系統(tǒng)是構(gòu)建無序平面結(jié)構(gòu)的理想平臺，薄膜系統(tǒng)可以作為具有集成增益和散射的二維無序介質(zhì)平面，積極參與隨機激光的生成。“平面波導(dǎo)效應(yīng)”使激光的耦合和收集更加容易。隨著腔體維度進一步降低，將反饋和增益介質(zhì)集成到一維波導(dǎo)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(chǎn)生和耦合的效率。
2、隨機微腔激光器的調(diào)控特性
傳統(tǒng)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(guān)鍵標準。與具有固定對稱腔體的傳統(tǒng)激光器相比，隨機微腔激光器在參數(shù)調(diào)控方面提供了更大的靈活性，體現(xiàn)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(yōu)化泵浦參數(shù)、調(diào)整散射強度和改變增益介質(zhì)的發(fā)光效率來調(diào)節(jié)隨機激光的閾值。隨機激光的輸出模式本質(zhì)上是無序的，表現(xiàn)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(tǒng)激光器相比，隨機激光的低相干性為研究模式調(diào)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(yīng)調(diào)整來實現(xiàn)隨機激光的定向輸出、單一光譜模式及其對應(yīng)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(guān)，通過優(yōu)化微腔載體、優(yōu)化泵浦形狀以及利用外場控制內(nèi)部介質(zhì)等方式，可以有效減少隨機激光器的全向發(fā)射缺陷。
3、隨機微腔激光器的應(yīng)用特性
低空間相干性、模式隨機性和對環(huán)境敏感特性等為隨機微腔激光器的應(yīng)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(diào)控問題的解決，這種獨特的光源越來越多地應(yīng)用于成像、醫(yī)學(xué)診斷、傳感、信息通信等領(lǐng)域。作為微納尺度的無序微腔激光器，隨機微腔激光器對環(huán)境變化非常敏感，其參數(shù)特性可以響應(yīng)各種監(jiān)測外部環(huán)境的敏感指標，如溫度、濕度、pH值、液體濃度、折射率等，為實現(xiàn)高靈敏度的傳感應(yīng)用創(chuàng)造了一個優(yōu)越的平臺。
在成像領(lǐng)域，理想的光源應(yīng)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(yīng)。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(yōu)勢。在醫(yī)學(xué)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(yīng)用于檢測各種生物組織，為無創(chuàng)醫(yī)療診斷提供了便利。
總之，研究人員總結(jié)了自然界和人工環(huán)境中廣泛存在的無序結(jié)構(gòu)中包含的復(fù)雜激光現(xiàn)象，定義了微腔復(fù)雜激光的概念，梳理了不同類型的微腔復(fù)雜激光，并重點介紹了隨機微腔激光的發(fā)展、調(diào)控及應(yīng)用。
未來，對無序微腔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜激光生成機制的系統(tǒng)分析將變得更加完善。隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的不斷進步，可預(yù)期將制造出更加精細和功能化的無序微腔結(jié)構(gòu)，在推動基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用方面具有巨大潛力。
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