相干光源是科學(xué)和高級(jí)應(yīng)用中最重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，超高WGM微腔作為一種突出的平臺(tái)，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(duì)稱性，以及由此導(dǎo)致激光在腔內(nèi)傳輸兩個(gè)方向之間的等效性嚴(yán)重限制了微激光器的進(jìn)一步應(yīng)用。

由北京大學(xué)蕭耘峰（音譯）教授和龔啟煌（音譯）教授領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員與新加坡國立大學(xué)邱正偉（音譯）教授和維也納理工大學(xué)斯特凡·羅特教授合作：

在WGM微腔中展示了一種自發(fā)對(duì)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(duì)稱性的方法。不幸的是，這些前述策略的可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性受到了極大限制，因?yàn)橐坏┲圃斐鲞@些器件，就具有前置、不可裁剪的激光方向性。

在這項(xiàng)研究中，研究人員利用腔增強(qiáng)型光學(xué)克爾非線性，在對(duì)稱WGM微腔中實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的手性微激光器。北京大學(xué)博士生、這項(xiàng)工作的第一作者之一曹琪濤（音譯）說：我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了微腔拉曼激光器，通常包括一對(duì)平衡的順時(shí)針和逆時(shí)針波。兩個(gè)方向的拉曼激光通過線性表面瑞利散射和光學(xué)克爾效應(yīng)的非線性相位調(diào)制耦合在一起。

當(dāng)特定相位的微激光器功率增大并達(dá)到某一閾值時(shí)，線性耦合被非線性耦合完全補(bǔ)償。在此閾值以上，激光場的手征對(duì)稱性自發(fā)破缺，拉曼波隨機(jī)演化為手征態(tài)，激光傳輸以順波或逆時(shí)針為主。實(shí)驗(yàn)上獲得了前所未有的反向發(fā)射強(qiáng)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(jìn)行全光動(dòng)態(tài)控制，對(duì)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(duì)如何實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)相干光源、實(shí)現(xiàn)激光器方向性和手性的強(qiáng)大可重構(gòu)，以及對(duì)芯片上納米光子學(xué)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(kuò)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(duì)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。

對(duì)稱結(jié)構(gòu)的WGM可重構(gòu)對(duì)稱破缺微激光器，其中激光場的手性特征，是由光學(xué)非線性效應(yīng)自發(fā)激發(fā)的。在這種對(duì)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(xué)非線性效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，手性可以通過泵浦方向的偏置進(jìn)行動(dòng)態(tài)全光控制，研究還為光學(xué)微結(jié)構(gòu)中的對(duì)稱破缺物理，開辟了一條尚未探索的新途徑。

博科園｜研究/來自：北京大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-14861-5

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