日前，北京大學(xué)物理學(xué)院、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展。他們著眼于解決學(xué)術(shù)界長久以來關(guān)于微腔超模受激散射激射譜性質(zhì)的爭議，通過理論分析和實驗研究，明確地揭示了微腔超模拉曼激光的單模特性，同時通過激光自注入的方法實現(xiàn)了激射模式的動態(tài)切換。
近簡并光學(xué)超模產(chǎn)生的微腔激光在非厄米物理學(xué)、片上相干光源和高靈敏傳感等光子學(xué)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用領(lǐng)域潛力巨大，因此長期以來都是研究熱點。其中，以拉曼激光為代表的受激散射激光因具有超窄的線寬、靈活的工作波長和增益材料等優(yōu)勢而備受關(guān)注。然而，盡管微腔超模受激散射激光已在納米顆粒檢測和超靈敏光學(xué)陀螺儀等研究中取得重要進展，但其激光模式的光譜特性一直存在較大爭議：一方面，模式競爭理論指出，受激散射激光的增益鉗制效應(yīng)會導(dǎo)致單模激射；另一方面，人們在微腔超模拉曼激光中廣泛觀察到的拍頻現(xiàn)象則被認為是雙模激射的標志。這一爭議的懸而未決阻礙了超模激光的進一步研究和應(yīng)用。
微腔超模拉曼激光及其調(diào)控示意圖
回音壁微腔中相向傳播的行波模式可以相互耦合形成一對光學(xué)超模；基于這一體系，課題組首次實驗證明了超模拉曼激光的單模特性。他們產(chǎn)生了低閾值超模拉曼激光，并利用分插耦合結(jié)構(gòu)直接觀測腔中泵浦光場的能量，從而證明了超模拉曼激光中的增益鉗制效應(yīng)。他們采用外差干涉方法，進一步測得激光的邊模抑制比超過30 dB，有力地證實了其單模特性。為了探索拍頻現(xiàn)象的物理來源，課題組采用激光自注入方法，將輸出的部分拉曼激光再次耦合進入微腔并與反方向的光場干涉，從而動態(tài)調(diào)控兩個光學(xué)超模的損耗。此時，時域上的拉曼出射激光出現(xiàn)以往實驗中觀察到的周期性拍頻信號。研究人員結(jié)合理論計算分析，解釋了拍頻信號來源于兩個激射模式交替過程中的動態(tài)干涉，而非穩(wěn)定的雙模激射。這項工作為基于微腔激光器的高靈敏光學(xué)傳感提供了有效指導(dǎo)，同時也有望在片上可重構(gòu)光源和低損耗光學(xué)存儲器等應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。
拉曼激光對腔內(nèi)激發(fā)光的鉗制效應(yīng)（左）和時域上拉曼激光的周期性拍頻信號（右）
相關(guān)研究成果以“Single-mode characteristic of a supermode Raman laser（微腔超模拉曼激光的單模特性）”為題，發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。物理學(xué)院2018級博士研究生張沛吉和2016級本科生紀青鑫為論文的共同第一作者。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和博士后創(chuàng)新人才支持計劃等支持。
作者/來源：科轉(zhuǎn)云
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