Rekonfigurerbar chiral mikrolaser ved spontan symmetribrud

Sammenhængende lyskilder er et af de mest afgørende fundamenter i både videnskabelige discipliner og avancerede applikationer. Som en fremtrædende platform, ultrahigh-Q whispering-gallery mode (WGM) mikrohulrum har været vidne til betydelig udvikling af nye lyskilder. Imidlertid, den iboende chirale symmetri af WGM mikrokavitetsgeometri og den resulterende ækvivalens mellem de to retninger af laserudbredelse i et hulrum begrænser i høj grad yderligere anvendelser af mikrolasere.

For ganske nylig, et team af forskere ledet af professor Xiao Yun-Feng og professor Gong Qihuang ved Peking Universitet, i samarbejde med professor Qiu Cheng-Wei ved National University of Singapore og professor Stefan Rotter ved Vienna University of Technology, har demonstreret en spontant symmetribrudt mikrolaser i et ultrahøj-Q WGM-mikrohulrum, udviser rekonfigurerbare udbredelsesretninger for den chirale laser. Dette arbejde er blevet offentliggjort online i Naturkommunikation den 28. februar, 2019.

I tidligere undersøgelser, eksisterende løsninger til en chiral mikrolaser tyr hovedsageligt til eksplicit at bryde struktursymmetrien i et WGM-mikrohulrum. Desværre, skalerbarheden og rekonfigurerbarheden af ​​disse foregående strategier er stærkt begrænset, da enhederne, en gang fabrikeret, kom med et præfiks, ikke-skræddersyet laserretningsevne. I dette arbejde, forskerne opnår en rekonfigurerbar chiral mikrolaser i et symmetrisk WGM-mikrohulrum ved at bruge den hulrumsforstærkede optiske Kerr-ulinearitet.

"Vi brugte Raman-lasere med mikrokavitet i eksperimentet, som generelt involverer et par afbalancerede med uret (CW) og mod uret (CCW) bølger, " sagde Cao Qi-Tao, en ph.d. studerende ved Peking University og en af ​​de første forfattere af dette værk. Raman-laserbølgerne i de to retninger er koblet sammen gennem lineær overflade Rayleigh-spredning og ikke-lineær fasemodulation ved optisk Kerr-effekt. Når effekten af ​​mikrolaseren med en bestemt fase stiger og når en tærskel, den lineære kobling er fuldstændig kompenseret af den ikke-lineære kobling. Over denne tærskel, laserfeltets chirale symmetri bryder spontant, og Raman-bølgen udvikler sig tilfældigt til en chiral tilstand med en CW- eller CCW-domineret laserudbredelse. Eksperimentelt, der opnås et hidtil uset forhold mellem mod-udbredende emissionsintensiteter, der overstiger 160:1. Desuden, retningsbestemtheden af ​​sådan den chirale mikrolaser er alt-optisk og dynamisk styret af forspændingen i pumpens retning, og symmetribrudtærsklen kan justeres ved hjælp af en nanotip-spredning.

"Vores resultater bryder perceptionsgrænsen for, hvordan man kan realisere en rekonfigurerbar sammenhængende lyskilde, for at muliggøre en kraftig rekonfigurerbarhed af en lasers retnings- og chiralitet, og at udvide en langsigtet indvirkning på on-chip nanofotonik og ikke-lineære processer, " sagde professor Xiao. "Sådan en spontant chiral emitterende laser kan også udvides til forskellige mikrostrukturer, og er næsten fri for den materielle grænse på grund af Kerr-ulinearitetens allestedsnærværende."