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    北大科研團隊實現了自發對稱破缺微腔激光

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

    北大科研團隊實現了自發對稱破缺微腔激光

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

    高性能的相干光源是基礎光物理研究和集成光子學應用的關鍵前提之一。近年來,具有超高品質因子的回音壁模式光學微腔已經成為研究各種新型高效光源的重要平臺,實驗上已經獲得了包括宇稱-時間反演對稱激光、軌道角動量激光和微腔光學頻率梳等。然而,回音壁微腔模式存在的固有手征對稱性導致腔中激光場通常是等強度相向傳輸的,嚴重阻礙了諸多光子學器件應用的發展,例如單向光發射、全光寄存器和非互易光傳輸等。迄今,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,難以動態調控其出射性質,且對諧振腔的形狀設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,實現了自發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制:表面散射引起的線性耦合和克爾交叉相位調制引起的非線性耦合。當滿足特定相位的拉曼激光場強度達到破缺閾值時,非線性耦合完全補償了線性耦合;此時拉曼激光場的手征對稱態發生失穩,光場會隨機自發地進入順時針或逆時針單向傳輸的手征狀態(b)(c);實驗上,兩個方向激光強度之比超過160:1。研究人員進一步在實驗中通過控制雙向泵浦光強度比例實現了自發手征激光方向性的動態調控;利用納米針尖散射體改變光場線性耦合強度來調控對稱破缺閾值,可以實現光場單向和雙向傳輸的切換。這種自發對稱破缺激光同時結合了激光增益動力學和自發對稱破缺機制,為方向可重構的微腔相干光源提供了新方案。此外,這種機制不依賴諧振腔特定的形狀設計,可以進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Cheng-Wei Qiu教授和維也納理工大學Stefan Rotter教授等。研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。(來源:北京大學物理學院)


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