微腔超模中的受激散射： 单模还是双模激光？

近简并光学超模产生的微腔激光在非厄米物理学、片上相干光源和高灵敏传感等光子学基础理论及应用领域潜力巨大，因此长期以来都是研究热点。其中，以拉曼激光为代表的受激散射激光因具有超窄的线宽、灵活的工作波长和增益材料等优势而备受关注。

微腔超模中的受激散射例如拉曼或布里渊激光器，通过利用激光光谱中的拍频，在精确测量方面显示出前所未有的优势。然而一个关键问题却困扰着研究人员二十年，这个问题就是微腔超模激光器是单模还是双模？
日前，北京大学物理学院、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了重要进展。他们着眼于解决学术界长久以来关于微腔超模受激散射激射谱性质的争议，通过理论分析和实验研究，明确揭示了微腔超模拉曼激光的单模特性，同时通过激光自注入的方法实现了激射模式的动态切换。

图1：微腔超模拉曼激光及其调控示意图

相关研究成果以“Single-mode characteristic of a supermode Raman laser（微腔超模拉曼激光的单模特性）”为题，发表于《美国国家科学院院刊》（ PNAS）。北京大学物理学院2018级博士研究生张沛吉和2016级本科生纪青鑫为论文的共同第一作者。

尽管微腔超模受激散射激光已在纳米颗粒检测和超灵敏光学陀螺仪等研究中取得重要进展，但其激光模式的光谱特性一直存在较大争议。一方面，受激散射激光的增益钳制效应会导致单模激射；另一方面，在微腔超模拉曼激光中广泛观察到的拍频现象，为双模激射的提供了证据。这一争议的悬而未决阻碍了超模激光的进一步研究和应用。

北京大学博士后研究员曹启涛说：“这种跳动现象确实与教科书中的内容相矛盾，但它确实存在，所以我们认为有一些物理特性没有被发现。”研究人员利用表面散射以及回音壁微腔中相向传播的行波模式，相互耦合形成一对光学超模（图1）；基于这一体系，课题组首次实验证明了超模拉曼激光的单模特性。

研究人员产生了低阈值超模拉曼激光，并利用分插耦合结构直接观测腔中泵浦光场的能量，从而证明了超模拉曼激光中的增益钳制效应（图2）。此外，他们还借助外差方法，测得的边模抑制比（SMSR）超过30 dB，从而明确证明了超模微腔中拉曼激光器的单模特性。

图2：拉曼激光对腔内激发光的钳制效应（左）和时域上拉曼激光的周期性拍频信号（右）

该校的博士生张培基表示，为了探索拍频现象的物理来源，课题组采用激光自注入方法，将输出的部分拉曼激光再次耦合进入微腔并与反方向的光场干涉，从而动态调控两个光学超模的损耗。

实验上，研究人员将自注入方法引入输出激光上的弱反射，将部分输出激光注入腔内以干扰腔内激光场。使用自注入方法，之前观察到的周期性拍频现象出现在时域中。此时，时域上的拉曼出射激光出现以往实验中观察到的周期性拍频信号。研究人员结合理论计算分析，解释了拍频信号来源于两个激射模式交替过程中的动态干涉，而非稳定的双模激射。

在应用方面，这种自注入方法可能有助于选择性地产生简并激光器并改善其边模抑制比。“我们的研究结果清楚地阐明了关于微腔超模中受激散射的激光光谱悖论长期存在的争论，”肖云峰谈到，“此外，这项工作为基于微腔激光器的高灵敏光学传感提供了有效指导，同时也为重构光源和低损耗光学存储器等应用中发挥了重要作用。”

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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