近簡並光學超模產(chan) 生的微腔激光在非厄米物理學、片上相幹光源和高靈敏傳(chuan) 感等光子學基礎理論及應用領域潛力巨大，因此長期以來都是研究熱點。其中，以拉曼激光為(wei) 代表的受激散射激光因具有超窄的線寬、靈活的工作波長和增益材料等優(you) 勢而備受關(guan) 注。

微腔超模中的受激散射例如拉曼或布裏淵激光器，通過利用激光光譜中的拍頻，在精確測量方麵顯示出前所未有的優(you) 勢。然而一個(ge) 關(guan) 鍵問題卻困擾著研究人員二十年，這個(ge) 問題就是微腔超模激光器是單模還是雙模？
日前，北京大學物理學院、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室肖雲(yun) 峰教授和龔旗煌院士領導的課題組在微腔激光研究中取得了重要進展。他們(men) 著眼於(yu) 解決(jue) 學術界長久以來關(guan) 於(yu) 微腔超模受激散射激射譜性質的爭(zheng) 議，通過理論分析和實驗研究，明確揭示了微腔超模拉曼激光的單模特性，同時通過激光自注入的方法實現了激射模式的動態切換。

圖1：微腔超模拉曼激光及其調控示意圖

相關(guan) 研究成果以“Single-mode characteristic of a supermode Raman laser（微腔超模拉曼激光的單模特性）”為(wei) 題，發表於(yu) 《美國國家科學院院刊》（ PNAS）。北京大學物理學院2018級博士研究生張沛吉和2016級本科生紀青鑫為(wei) 論文的共同第一作者。

盡管微腔超模受激散射激光已在納米顆粒檢測和超靈敏光學陀螺儀(yi) 等研究中取得重要進展，但其激光模式的光譜特性一直存在較大爭(zheng) 議。一方麵，受激散射激光的增益鉗製效應會(hui) 導致單模激射；另一方麵，在微腔超模拉曼激光中廣泛觀察到的拍頻現象，為(wei) 雙模激射的提供了證據。這一爭(zheng) 議的懸而未決(jue) 阻礙了超模激光的進一步研究和應用。

北京大學博士後研究員曹啟濤說：“這種跳動現象確實與(yu) 教科書(shu) 中的內(nei) 容相矛盾，但它確實存在，所以我們(men) 認為(wei) 有一些物理特性沒有被發現。”研究人員利用表麵散射以及回音壁微腔中相向傳(chuan) 播的行波模式，相互耦合形成一對光學超模（圖1）；基於(yu) 這一體(ti) 係，課題組首次實驗證明了超模拉曼激光的單模特性。

研究人員產(chan) 生了低閾值超模拉曼激光，並利用分插耦合結構直接觀測腔中泵浦光場的能量，從(cong) 而證明了超模拉曼激光中的增益鉗製效應（圖2）。此外，他們(men) 還借助外差方法，測得的邊模抑製比（SMSR）超過30 dB，從(cong) 而明確證明了超模微腔中拉曼激光器的單模特性。

圖2：拉曼激光對腔內(nei) 激發光的鉗製效應（左）和時域上拉曼激光的周期性拍頻信號（右）

該校的博士生張培基表示，為(wei) 了探索拍頻現象的物理來源，課題組采用激光自注入方法，將輸出的部分拉曼激光再次耦合進入微腔並與(yu) 反方向的光場幹涉，從(cong) 而動態調控兩(liang) 個(ge) 光學超模的損耗。

實驗上，研究人員將自注入方法引入輸出激光上的弱反射，將部分輸出激光注入腔內(nei) 以幹擾腔內(nei) 激光場。使用自注入方法，之前觀察到的周期性拍頻現象出現在時域中。此時，時域上的拉曼出射激光出現以往實驗中觀察到的周期性拍頻信號。研究人員結合理論計算分析，解釋了拍頻信號來源於(yu) 兩(liang) 個(ge) 激射模式交替過程中的動態幹涉，而非穩定的雙模激射。

在應用方麵，這種自注入方法可能有助於(yu) 選擇性地產(chan) 生簡並激光器並改善其邊模抑製比。“我們(men) 的研究結果清楚地闡明了關(guan) 於(yu) 微腔超模中受激散射的激光光譜悖論長期存在的爭(zheng) 論，”肖雲(yun) 峰談到，“此外，這項工作為(wei) 基於(yu) 微腔激光器的高靈敏光學傳(chuan) 感提供了有效指導，同時也為(wei) 重構光源和低損耗光學存儲(chu) 器等應用中發揮了重要作用。”