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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(jī)激光、混沌和多維散斑等復(fù)雜光學(xué)現(xiàn)象提供了一個(gè)特殊的平臺(tái)。具體而言，在微腔和光纖中產(chǎn)生的復(fù)雜激光，在其中強(qiáng)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(gè)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(lái)了新的機(jī)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(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wú)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(jìn)展。主要介紹了無(wú)序微腔激光器的歷史發(fā)展、特點(diǎn)、規(guī)律和應(yīng)用，并對(duì)微腔復(fù)合激光器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(wú)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(niǎo)類和蟬的翅膀生長(zhǎng)到肌肉纖維組織中的無(wú)序分子碰撞，最后延伸到各種人工制備的系統(tǒng)。英國(guó)著名物理學(xué)家霍金預(yù)言，“21世紀(jì)將是復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的世紀(jì)。”2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予研究復(fù)雜無(wú)序系統(tǒng)的科學(xué)家喬治·帕里西，以表彰他對(duì)自旋玻璃態(tài)的研究。有序和隨機(jī)現(xiàn)象理論對(duì)物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等研究領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。普遍存在的復(fù)雜無(wú)序系統(tǒng)可以為實(shí)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(duì)稱性破壞、隨機(jī)激光、混沌光、神經(jīng)元樣事件等。這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的激光輸出和參數(shù)混亂。同時(shí)，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(jì)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(xiàng)重大成就。它被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)確的尺子”和“最明亮的光”，因?yàn)樗哂懈邌紊?、高亮度和?qiáng)指向性的特點(diǎn)。激光腔的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要精確的對(duì)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(jī)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(kāi)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(jiǎn)單、更高效、低成本、易于調(diào)諧。

典型的激光器由三個(gè)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(shí)，它產(chǎn)生了當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一：微腔激光器，它能夠在小體積內(nèi)實(shí)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(wú)序的腔邊界，或?qū)?fù)雜和無(wú)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(jī)制的多維調(diào)節(jié)方法。此外，無(wú)序腔的物理不可克隆特性導(dǎo)致了輸出的隨機(jī)性。復(fù)雜微腔激光器的輸出通常是不可預(yù)測(cè)的和參數(shù)無(wú)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(jī)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)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(jī)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(duì)隨機(jī)微腔激光器進(jìn)行分類。這種區(qū)分不僅突出了隨機(jī)微腔激光在不同維度上的獨(dú)特輸出特性，也闡明了隨機(jī)微腔的尺寸差異在各種調(diào)控和應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，其中三維固態(tài)微腔通常具有較小的模體積，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用。由于其三維封閉結(jié)構(gòu)，光場(chǎng)可以在三個(gè)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(chǔ)、量子信息處理等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。

而開(kāi)放的二維薄膜系統(tǒng)是構(gòu)建無(wú)序平面結(jié)構(gòu)的理想平臺(tái)，薄膜系統(tǒng)可以作為具有集成增益和散射的二維無(wú)序介質(zhì)平面，積極參與隨機(jī)激光的生成?！捌矫娌▽?dǎo)效應(yīng)”使激光的耦合和收集更加容易。隨著腔體維度進(jìn)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(shí)增強(qiáng)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(jī)微腔激光器的調(diào)控特性

傳統(tǒng)激光器的多種指標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)。與具有固定對(duì)稱腔體的傳統(tǒng)激光器相比，隨機(jī)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(shí)域、光譜域和空域等多個(gè)維度，突顯了隨機(jī)微腔激光的多維可控性。

例如，通過(guò)優(yōu)化泵浦參數(shù)、調(diào)整散射強(qiáng)度和改變?cè)鲆娼橘|(zhì)的發(fā)光效率來(lái)調(diào)節(jié)隨機(jī)激光的閾值。隨機(jī)激光的輸出模式本質(zhì)上是無(wú)序的，表現(xiàn)為低空間相干性（無(wú)散斑）和低時(shí)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(jī)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(guò)泵浦自適應(yīng)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)激光的定向輸出、單一光譜模式及其對(duì)應(yīng)空間模式的選擇輸出。此外，隨機(jī)激光的方向性與散射路徑密切相關(guān)，通過(guò)優(yōu)化微腔載體、優(yōu)化泵浦形狀以及利用外場(chǎng)控制內(nèi)部介質(zhì)等方式，可以有效減少隨機(jī)激光器的全向發(fā)射缺陷。

3、隨機(jī)微腔激光器的應(yīng)用特性

低空間相干性、模式隨機(jī)性和對(duì)環(huán)境敏感特性等為隨機(jī)微腔激光器的應(yīng)用提供了許多有利因素。隨著隨機(jī)激光的模式控制和方向調(diào)控問(wèn)題的解決，這種獨(dú)特的光源越來(lái)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(wú)序微腔激光器，隨機(jī)微腔激光器對(duì)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(cè)外部環(huán)境的敏感指標(biāo)，如溫度、濕度、pH值、液體濃度、折射率等，為實(shí)現(xiàn)高靈敏度的傳感應(yīng)用創(chuàng)造了一個(gè)優(yōu)越的平臺(tái)。

在成像領(lǐng)域，理想的光源應(yīng)具有高光譜密度、強(qiáng)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(guò)在鈣鈦礦、生物膜、液晶散射體和細(xì)胞組織等載體中均驗(yàn)證了隨機(jī)激光在無(wú)散斑成像中的優(yōu)勢(shì)。在醫(yī)學(xué)診斷中，隨機(jī)微腔激光可以攜帶來(lái)自生物宿主的散射信息，成功應(yīng)用于檢測(cè)各種生物組織，為無(wú)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(wú)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(diǎn)介紹了隨機(jī)微腔激光的發(fā)展、調(diào)控及應(yīng)用。

未來(lái)，對(duì)無(wú)序微腔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜激光生成機(jī)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(jìn)步，可預(yù)期將制造出更加精細(xì)和功能化的無(wú)序微腔結(jié)構(gòu)，在推動(dòng)基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用方面具有巨大潛力。