突破！从有序到无序态的微腔复杂激光器

8个月前 (08-24) 阅读数 114 #科技

近日，天津航海仪器研究所和电子科技大学、深圳大学的研究人员合作概述了微腔复杂激光器的产生、调控及前沿应用进展。他们从微腔结构无序度渐增的视角出发，系统性地概述了各种类型的微腔复杂激光器，并主要介绍了无序微腔激光器的历史发展、激光特性、调控方法和在不同学科的应用场景，最后对微腔复杂激光器的发展趋势进行了深入讨论。

相关成果以“Microcavity complex lasers：from order to disorder”为题，以特邀综述的形式在线发表于ANNALEN DER PHYSIK（物理学年鉴）。天津市量子精密测量重点实验室的朱洪杨博士和电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室的博士研究生何真为论文的共同第一作者，电子科技大学的张伟利教授和深圳大学高等研究院的马瑞副研究员为论文的通信作者。

研究背景：

典型的激光器由三个基本元素组成：泵源、放大受激辐射的增益介质以及产生光学共振的腔体结构。当激光器的腔体尺寸接近微米或亚微米级时，它就成为当前学术界的研究热点之一：微腔激光器，其能在小体积内实现显著的光与物质相互作用。将微腔与复杂系统相结合，例如引入不规则或无序的腔体边界，亦或将复杂、无序的工作介质引入微腔，都会增加激光输出的自由度，无序腔体的物理不可克隆特性带来激光参数的多维调控方法，并可以拓展其应用潜力。

微腔复杂激光器的研究体系

随机微腔激光器的不同系统：

本文首次从不同腔体维度的角度对随机微腔激光器进行分类。这种区分不仅突出了随机微腔激光在不同维度上的独特输出特性，也阐明了随机微腔的尺寸差异在各种调控和应用领域的优势。其中三维固态微腔通常具有较小的模体积，从而实现更强的光物质相互作用。由于其三维封闭结构，光场可以在三个维度上高度局域化，通常具有高品质因子（Q因子）。这些特性使其适用于高精度传感、光子存储、量子信息处理等先进技术领域。

而开放的二维薄膜系统是构建无序平面结构的理想平台，薄膜系统可以作为具有集成增益和散射的二维无序介质平面，积极参与随机激光的生成。且“平面波导效应”使激光的耦合和收集更加容易。随着腔体维度进一步降低，将反馈和增益介质集成到一维波导中，可以抑制径向光散射，同时增强轴向光的共振和耦合，这种集成方式最终提高了激光产生和耦合的效率。

随机微腔激光器的调控特性：

传统激光器的多种指标，如相干性、阈值、输出方向和偏振特性等，都是衡量激光器输出性能的关键标准。与具有固定对称腔体的传统激光器相比，随机微腔激光器在参数调控方面提供了更大的灵活性，体现在包括时域、光谱域和空域等多个维度，突显了随机微腔激光的多维可控性。

例如，研究人员通过优化泵浦参数、调整散射强度和改变增益介质的发光效率来调节随机激光的阈值。且随机激光的输出模式本质上是无序的，表现为低空间相干性（无散斑）和低时间相干性（具有大量纵模），与通常仅有单一输出模式的传统激光器相比，随机激光的低相干性为研究模式调制提供了众多可控自由度。目前，学术界广泛采用的方法是通过泵浦自适应调整来实现随机激光的定向输出、单一光谱模式及其对应空间模式的选择输出。此外，随机激光的方向性与散射路径密切相关，通过优化微腔载体、优化泵浦形状以及利用外场控制内部介质等方式，可以有效减少随机激光器的全向发射缺陷。

随机微腔激光器的应用特性：

低空间相干性、模式随机性和对环境敏感特性等为随机微腔激光器的应用提供了许多有利因素。随着随机激光的模式控制和方向调控问题的解决，这种独特的光源越来越多地应用于成像、医学诊断、传感、信息通信等领域。

作为微纳尺度的无序微腔激光器，随机微腔激光器对环境变化非常敏感，其参数特性可以响应各种监测外部环境的敏感指标，如温度、湿度、pH值、液体浓度、折射率等，为实现高灵敏度的传感应用创造了一个优越的平台。

在成像领域，理想的光源应具有高光谱密度、强定向输出和低空间相干性，以防止干涉散斑效应。研究人员们通过在钙钛矿、生物膜、液晶散射体和细胞组织等载体中均验证了随机激光在无散斑成像中的优势。在医学诊断中，随机微腔激光可以携带来自生物宿主的散射信息，成功应用于检测各种生物组织，为无创医疗诊断提供了便利。

总结与展望：

本综述介绍了自然界和人工环境中广泛存在的无序结构中包含的复杂激光现象，定义了微腔复杂激光的概念，梳理了不同类型的微腔复杂激光，并重点介绍了随机微腔激光的发展、调控及应用。未来，对无序微腔结构和复杂激光生成机制的系统分析将变得更加完善。随着材料科学和纳米技术的不断进步，可预期将制造出更加精细和功能化的无序微腔结构，在推动基础研究和实际应用方面具有巨大潜力。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/andp.202400112

作者简介：

朱洪杨，2023年于电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室获信息与通信工程博士学位。2023年开始于天津航海仪器研究所（天津市量子精密测量重点实验室）从事惯性原子器件方面的研究。获得博士研究生国家奖学金、电子科技大学学术新秀、荣耀信通年度人物、荣耀学术奖等。以第一作者身份在ACS Photonics、Advanced Materials Technologies、IEEE JSTQE等SCI期刊发表论文8篇，多次受邀在OFC、CLEO、FioLS等国际会议发表论文并作口头报告，2022年入选顶级国际会议OFC的Post Deadline论文（中西部高校首篇）。

张伟利，电子科技大学教授/博导，2008年于西南交通大学获信息与通信工程博士学位，2008.09-2010.09新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院研究员，2010.10-2016.07电子科技大学特聘副教授，2016.09-2017.09哥本哈根大学波尔研究所访问学者，2016.07-今担任电子科技大学教授。教育部创新团队和国家级引智基地骨干成员，四川省科技创新人才、四川省学术技术带头人后备人选、Vebleo国际学会会士、SCI期刊Photonic Sensors编委。

从事新型激光器及其先进成像和传感研究工作多年，主持了新加坡科技局项目、国家自然基金、教育部万人计划、四川省国际交流等国家级和省部级课题10余项，主研国家级重大、重点项目2项。发表多篇高水平研究论文，包括8篇影响因子大于8的SCI论文、OFC Post Deadline Paper、ICICN、IEEE最佳论文、IEEE Popular论文，德国经典期刊Annalen der Physik等封面论文2篇。拥有多项自主知识产权，其中中国发明专利授权9项、美国发明专利授权1项，合著出版专著1部。成果被中国科学头版、学术网站Highbean Research、搜狐网、光明网等亮点报道，被中国、美国、俄罗斯、巴西等多个院士团队发表的顶级期刊综述论文多篇、大篇幅正面评价和引用，他引2000余次，H指数32。

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