北大科研团队实现了自发对称破缺微腔激光

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取得重要进展：利用超高品质因子回音壁光学微腔，首次实现了可重构、超低阈值的自发对称破缺激射。相关研究成果在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上，文章题为“Reconfigurable symmetry-broken laser in a symmetric microcavity”。 

（a）自发对称破缺微腔拉曼激光系统示意图。插图：拉曼激光光谱，黄色阴影为增益范围。（b）（c）拉曼激光发生对称破缺过程中顺时针（CW）和逆时针（CCW）的激光强度

高性能的相干光源是基础光物理研究和集成光子学应用的关键前提之一。近年来，具有超高品质因子的回音壁模式光学微腔已经成为研究各种新型高效光源的重要平台，实验上已经获得了包括宇称-时间反演对称激光、轨道角动量激光和微腔光学频率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征对称性导致腔中激光场通常是等强度相向传输的，严重阻碍了诸多光子学器件应用的发展，例如单向光发射、全光寄存器和非互易光传输等。迄今，要获得具有单向性的回音壁微腔手征激光，通常需要直接打破光学谐振腔的几何手征对称性。这种方法得到的激光方向性是固定的，难以动态调控其出射性质，且对谐振腔的形状设计和工艺制备要求较高。 

在之前的工作中[Phys. Rev. Lett. 118, 033901（2017）]，该课题组首次提出和证明了微腔光场自发对称破缺概念，并得到国际同行的验证。在最新的工作中，课题组将该概念引入到增益微腔，实现了自发对称破缺的手征拉曼激光。实验上，研究人员首先在完全对称的回音壁微腔系统中，获得低阈值拉曼激光（a）。微腔中相向传输拉曼激光之间存在两种耦合机制：表面散射引起的线性耦合和克尔交叉相位调制引起的非线性耦合。当满足特定相位的拉曼激光场强度达到破缺阈值时，非线性耦合完全补偿了线性耦合；此时拉曼激光场的手征对称态发生失稳，光场会随机自发地进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超过160:1。研究人员进一步在实验中通过控制双向泵浦光强度比例实现了自发手征激光方向性的动态调控；利用纳米针尖散射体改变光场线性耦合强度来调控对称破缺阈值，可以实现光场单向和双向传输的切换。这种自发对称破缺激光同时结合了激光增益动力学和自发对称破缺机制，为方向可重构的微腔相干光源提供了新方案。此外，这种机制不依赖谐振腔特定的形状设计，可以进一步拓展到其他材料和不同的激光过程中。 

本论文的合作者还包括新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu教授和维也纳理工大学Stefan Rotter教授等。研究工作得到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新中心和极端光学协同创新中心等的支持。

来源：北京大学物理学院

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-14861-5

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