北京大学：研究出一种自发对称破缺，实现可重构的手性微激光器！

相干光源是科学和高级应用中最重要的基础设备之一，超高WGM微腔作为一种突出的平台，见证了新型光源的重大发展。然而，WGM微腔几何结构的固有手性对称性，以及由此导致激光在腔内传输两个方向之间的等效性严重限制了微激光器的进一步应用。由北京大学萧耘峰（音译）教授和龚启煌（音译）教授领导的一组研究人员与新加坡国立大学邱正伟（音译）教授和维也纳理工大学斯特凡·罗特教授合作：

在WGM微腔中展示了一种自发对称破缺微激光器，展示了手性激光器的可重构传播方向，其研究成果已表在《自然通讯》期刊上。在以往的研究中，现有手性微激光器解决方案主要采用显式破坏WGM微腔结构对称性的方法。不幸的是，这些前述策略的可扩展性和可重构性受到了极大限制，因为一旦制造出这些器件，就具有前置、不可裁剪的激光方向性。

在这项研究中，研究人员利用腔增强型光学克尔非线性，在对称WGM微腔中实现了可重构的手性微激光器。北京大学博士生、这项工作的第一作者之一曹琪涛（音译）说：我们在实验中使用了微腔拉曼激光器，通常包括一对平衡的顺时针和逆时针波。两个方向的拉曼激光通过线性表面瑞利散射和光学克尔效应的非线性相位调制耦合在一起。

当特定相位的微激光器功率增大并达到某一阈值时，线性耦合被非线性耦合完全补偿。在此阈值以上，激光场的手征对称性自发破缺，拉曼波随机演化为手征态，激光传输以顺波或逆时针为主。实验上获得了前所未有的反向发射强度比超过160：1。此外，这种手性微激光器的方向性可由泵浦方向的偏置进行全光动态控制，对称破缺阈值可用纳米尖散射体调节。

研究打破了人们对如何实现可重构相干光源、实现激光器方向性和手性的强大可重构，以及对芯片上纳米光子学和非线性过程的长期影响的感知界限。这种自发手征发射激光器还可以扩展到各种微结构，并且由于克尔非线性的无处不在，几乎不受材料的限制。WGM具有固有的手征对称性，排除了获得定向光输出、全光触发器、高效光提取等的可能性。

（上图所示）(A)微球腔中的拉曼激光器示意图；拉曼激光过程的光谱示意图；橙色阴影表示拉曼增益曲线；(B)、(C)自发对称破缺过程中喇曼激光器的顺波和逆时针输出强度。图片：Peking University

对称结构的WGM可重构对称破缺微激光器，其中激光场的手性特征，是由光学非线性效应自发激发的。在这种对称结构WGM微腔中，激光场的手性被自发地赋予了光学非线性效应。实验发现，手性可以通过泵浦方向的偏置进行动态全光控制，研究还为光学微结构中的对称破缺物理，开辟了一条尚未探索的新途径。

博科园｜www.bokeyuan.net

博科园｜研究/来自：北京大学

参考期刊《自然通讯》

DOI: 10.1038/s41467-020-14861-5

博科园｜科学、科技、科研、科普

关注【博科园】看更多大美宇宙科学