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北大科研团队实现了自发对称破缺微腔激光

文章出处:半岛官方体育登录入口 人气:发表时间:2023-11-09 06:52
本文摘要:日前,北京大学纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士领导的课题组在微腔激光研究中获得最重要进展:利用超高品质因子回音壁光学微腔,首次构建了可重构、超低阈值的自发性平面破缺激射。涉及研究成果在线公开发表于《大自然·通讯》(NatureCommunications)上,文章为题“Reconfigurablesymmetry-brokenlaserinasymmetricmicrocavity”。

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日前,北京大学纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士领导的课题组在微腔激光研究中获得最重要进展:利用超高品质因子回音壁光学微腔,首次构建了可重构、超低阈值的自发性平面破缺激射。涉及研究成果在线公开发表于《大自然·通讯》(NatureCommunications)上,文章为题“Reconfigurablesymmetry-brokenlaserinasymmetricmicrocavity”。

(a)自发性平面破缺微腔拉曼激光系统示意图。插画:拉曼激光光谱,黄色阴影为增益范围。(b)(c)拉曼激光再次发生平面破缺过程中顺时针(CW)和逆时针(CCW)的激光强度高性能的相干性光源是基础光物理研究和构建光子学应用于的关键前提之一。近年来,具备超高品质因子的回音壁模式光学微腔早已沦为研究各种新型高效光源的最重要平台,实验上早已取得了还包括宇称-时间反演平面激光、轨道角动量激光和微腔光学频率巴利等。

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然而,回音壁微腔模式不存在的固有手征对称性造成腔中激光场一般来说是等强度牵传输的,相当严重妨碍了诸多光子学器件应用于的发展,例如单向光升空、仅有光寄存器和非互易光传输等。目前为止,要取得具备单向性的回音壁微腔手征激光,一般来说必须必要超越光学谐振腔的几何手征对称性。这种方法获得的激光方向性是相同的,无法动态调控其出射性质,且对谐振腔的形状设计和工艺制取拒绝较高。

在之前的工作中[Phys.Rev.Lett.118,033901(2017)],该课题组首次明确提出和证明了微腔光场自发性平面破缺概念,并获得国际同行的检验。在近期的工作中,课题组将该概念引进到增益微腔,构建了自发性平面破缺的手征拉曼激光。实验上,研究人员首先在几乎平面的回音壁微腔系统中,取得较低阈值拉曼激光(a)。

微腔中牵传输拉曼激光之间不存在两种耦合机制:表面衍射引发的线性耦合和克尔交叉振幅调制引发的非线性耦合。当符合特定振幅的拉曼激光场强度超过破缺阈值时,非线性耦合几乎补偿了线性耦合;此时拉曼激光场的手征平面态再次发生失稳,光场不会随机自发性地转入顺时针或逆时针单向传输的手征状态(b)(c);实验上,两个方向激光强度之比多达160:1。研究人员更进一步在实验中通过掌控双向泵浦光强度比例构建了自发性手征激光方向性的动态调控;利用纳米针尖散射体转变光场线性耦合强度来调控平面破缺阈值,可以构建光场单向和双向传输的转换。这种自发性平面破缺激光同时融合了激光增益动力学和自发性平面破缺机制,为方向可重构的微腔相干性光源获取了新的方案。

此外,这种机制不倚赖谐振腔特定的形状设计,可以更进一步扩展到其他材料和有所不同的激光过程中。本论文的合作者还包括新加坡国立大学Cheng-WeiQiu教授和维也纳理工大学StefanRotter教授等。研究工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委员会、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创意中心和极端光学协同创意中心等的反对。


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