相干光源是科學和高級應用中最重要的基礎設備之一，超高WGM微腔作為一種突出的平臺，見證了新型光源的重大發(fā)展。然而，WGM微腔幾何結(jié)構(gòu)的固有手性對稱性，以及由此導致激光在腔內(nèi)傳輸兩個方向之間的等效性嚴重限制了微激光器的進一步應用。由北京大學蕭耘峰（音譯）教授和龔啟煌（音譯）教授領導的一組研究人員與新加坡國立大學邱正偉（音譯）教授和維也納理工大學斯特凡·羅特教授合作：

在WGM微腔中展示了一種自發(fā)對稱破缺微激光器，展示了手性激光器的可重構(gòu)傳播方向，其研究成果已表在《自然通訊》期刊上。在以往的研究中，現(xiàn)有手性微激光器解決方案主要采用顯式破壞WGM微腔結(jié)構(gòu)對稱性的方法。不幸的是，這些前述策略的可擴展性和可重構(gòu)性受到了極大限制，因為一旦制造出這些器件，就具有前置、不可裁剪的激光方向性。

在這項研究中，研究人員利用腔增強型光學克爾非線性，在對稱WGM微腔中實現(xiàn)了可重構(gòu)的手性微激光器。北京大學博士生、這項工作的第一作者之一曹琪濤（音譯）說：我們在實驗中使用了微腔拉曼激光器，通常包括一對平衡的順時針和逆時針波。兩個方向的拉曼激光通過線性表面瑞利散射和光學克爾效應的非線性相位調(diào)制耦合在一起。

當特定相位的微激光器功率增大并達到某一閾值時，線性耦合被非線性耦合完全補償。在此閾值以上，激光場的手征對稱性自發(fā)破缺，拉曼波隨機演化為手征態(tài)，激光傳輸以順波或逆時針為主。實驗上獲得了前所未有的反向發(fā)射強度比超過160：1。此外，這種手性微激光器的方向性可由泵浦方向的偏置進行全光動態(tài)控制，對稱破缺閾值可用納米尖散射體調(diào)節(jié)。

研究打破了人們對如何實現(xiàn)可重構(gòu)相干光源、實現(xiàn)激光器方向性和手性的強大可重構(gòu)，以及對芯片上納米光子學和非線性過程的長期影響的感知界限。這種自發(fā)手征發(fā)射激光器還可以擴展到各種微結(jié)構(gòu)，并且由于克爾非線性的無處不在，幾乎不受材料的限制。WGM具有固有的手征對稱性，排除了獲得定向光輸出、全光觸發(fā)器、高效光提取等的可能性。

（上圖所示）(A)微球腔中的拉曼激光器示意圖；拉曼激光過程的光譜示意圖；橙色陰影表示拉曼增益曲線；(B)、(C)自發(fā)對稱破缺過程中喇曼激光器的順波和逆時針輸出強度。圖片：Peking University

對稱結(jié)構(gòu)的WGM可重構(gòu)對稱破缺微激光器，其中激光場的手性特征，是由光學非線性效應自發(fā)激發(fā)的。在這種對稱結(jié)構(gòu)WGM微腔中，激光場的手性被自發(fā)地賦予了光學非線性效應。實驗發(fā)現(xiàn)，手性可以通過泵浦方向的偏置進行動態(tài)全光控制，研究還為光學微結(jié)構(gòu)中的對稱破缺物理，開辟了一條尚未探索的新途徑。

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博科園｜研究/來自：北京大學

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-14861-5

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