日前，北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室肖云峰教授和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組在微腔激光研究中取得重要進(jìn)展：利用超高品質(zhì)因子回音壁光學(xué)微腔，首次實現(xiàn)了可重構(gòu)、超低閾值的自發(fā)對稱破缺激射。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）上，文章題為“Reconfigurable symmetry-broken laser in a symmetric microcavity”。

（a）自發(fā)對稱破缺微腔拉曼激光系統(tǒng)示意圖。插圖：拉曼激光光譜，黃色陰影為增益范圍。（b）（c）拉曼激光發(fā)生對稱破缺過程中順時針（CW）和逆時針（CCW）的激光強(qiáng)度

高性能的相干光源是基礎(chǔ)光物理研究和集成光子學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵前提之一。近年來，具有超高品質(zhì)因子的回音壁模式光學(xué)微腔已經(jīng)成為研究各種新型高效光源的重要平臺，實驗上已經(jīng)獲得了包括宇稱-時間反演對稱激光、軌道角動量激光和微腔光學(xué)頻率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征對稱性導(dǎo)致腔中激光場通常是等強(qiáng)度相向傳輸?shù)?，?yán)重阻礙了諸多光子學(xué)器件應(yīng)用的發(fā)展，例如單向光發(fā)射、全光寄存器和非互易光傳輸?shù)取Ｆ?，要獲得具有單向性的回音壁微腔手征激光，通常需要直接打破光學(xué)諧振腔的幾何手征對稱性。這種方法得到的激光方向性是固定的，難以動態(tài)調(diào)控其出射性質(zhì)，且對諧振腔的形狀設(shè)計和工藝制備要求較高。

在之前的工作中[Phys. Rev. Lett. 118, 033901（2017）]，該課題組首次提出和證明了微腔光場自發(fā)對稱破缺概念，并得到國際同行的驗證。在最新的工作中，課題組將該概念引入到增益微腔，實現(xiàn)了自發(fā)對稱破缺的手征拉曼激光。實驗上，研究人員首先在完全對稱的回音壁微腔系統(tǒng)中，獲得低閾值拉曼激光（a）。微腔中相向傳輸拉曼激光之間存在兩種耦合機(jī)制：表面散射引起的線性耦合和克爾交叉相位調(diào)制引起的非線性耦合。當(dāng)滿足特定相位的拉曼激光場強(qiáng)度達(dá)到破缺閾值時，非線性耦合完全補(bǔ)償了線性耦合；此時拉曼激光場的手征對稱態(tài)發(fā)生失穩(wěn)，光場會隨機(jī)自發(fā)地進(jìn)入順時針或逆時針單向傳輸?shù)氖终鳡顟B(tài)（b）（c）；實驗上，兩個方向激光強(qiáng)度之比超過160:1。研究人員進(jìn)一步在實驗中通過控制雙向泵浦光強(qiáng)度比例實現(xiàn)了自發(fā)手征激光方向性的動態(tài)調(diào)控；利用納米針尖散射體改變光場線性耦合強(qiáng)度來調(diào)控對稱破缺閾值，可以實現(xiàn)光場單向和雙向傳輸?shù)那袚Q。這種自發(fā)對稱破缺激光同時結(jié)合了激光增益動力學(xué)和自發(fā)對稱破缺機(jī)制，為方向可重構(gòu)的微腔相干光源提供了新方案。此外，這種機(jī)制不依賴諧振腔特定的形狀設(shè)計，可以進(jìn)一步拓展到其他材料和不同的激光過程中。

本論文的合作者還包括新加坡國立大學(xué)Cheng-Wei Qiu教授和維也納理工大學(xué)Stefan Rotter教授等。研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委員會、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。（來源：北京大學(xué)物理學(xué)院）

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