來自華沙大學、軍(jun) 事科技大學和南安普頓大學的科學家們(men) 展示了一種新型可調諧微激光，它能發射兩(liang) 束光。“這些光束是圓偏振的，並且指向不同的角度。”華沙大學物理係的Jacek Szczytko教授說。這一成就是通過在微腔表麵創建所謂的持續自旋螺旋獲得的。研究結果發表在《物理評論應用》（Physical Review Applied）雜誌上。

兩(liang) 束可調諧微激光，光束是圓偏振的，並 指向不同的角度。

為(wei) 了達到這一效果，科學家們(men) 在光學微腔中填充了摻有有機激光染料的液晶。這種微腔由兩(liang) 個(ge) 完美的鏡子組成，它們(men) 彼此靠近，距離為(wei) 2~3μm，這樣就可以在腔內(nei) 形成一個(ge) 固定的電磁波。鏡子之間的空間填充了一種特殊的光學介質-液晶，它是另外用一種特殊的鏡子塗層組織起來的。

“液晶的特征是它們(men) 細長的分子，打個(ge) 比方說，它們(men) 梳在鏡子的表麵，可以在外部電場的影響下站立，也會(hui) 轉動填充空腔的其他分子。”來自華沙大學物理係的第一作者Marcin Muszynski說。

當傳(chuan) 播波的電場沿著分子振蕩時，當振蕩垂直於(yu) 分子時，腔內(nei) 的光以不同的方式與(yu) 分子相互作用。液晶是一種雙折射介質，具有兩(liang) 種折射率，這取決(jue) 於(yu) 電場振蕩的方向(即所謂的電磁波極化)。

在軍(jun) 事科技大學獲得的激光微腔內(nei) 分子的精確排列，導致了腔內(nei) 出現兩(liang) 種線偏振光模式。電場改變了光腔內(nei) 分子的方向，從(cong) 而改變了液晶層的有效折射率。因此，它控製所謂的光路的長度——光腔寬度和折射率的乘積，而折射率是發射光的能量(顏色)所依賴的。其中一種模態的能量不隨分子旋轉而改變，而另一種模態的能量則隨分子方向的改變而增加。

通過對放置在液晶分子之間的有機染料進行光刺激，獲得了具有嚴(yan) 格定義(yi) 能量的相幹光輻射的激光效應。液晶分子的逐漸旋轉導致了這種激光的意想不到的特性。激光實現了這種可調模式:激光發射一個(ge) 垂直於(yu) 反射鏡表麵的線偏振光束。液晶的使用使得光的波長隨著電場的變化可以平滑地調整多達40nm。

“然而，當我們(men) 旋轉液晶分子，使對分子取向敏感的模式和不改變其能量的模式的能量重疊時（也就是說，它們(men) 處於(yu) 共振狀態）從(cong) 空腔發出的光突然改變了它的偏振從(cong) 線性到兩(liang) 個(ge) 圓形：右和左手，兩(liang) 個(ge) 圓極性在不同的方向上傳(chuan) 播，以若幹度的角度。”華沙大學物理係的Jacek Szczytko教授說。

“激光的相位相幹性以一種有趣的方式得到了證實。所謂的持續-自旋螺旋條紋模式，具有不同的光偏振，間隔3μm，出現在樣品的表麵。理論計算表明，當兩(liang) 束相對偏振光相參且兩(liang) 種光模不可分時，可以形成這樣的圖案——這種現象可以與(yu) 量子糾纏相比較。”Marcin Muszynski解釋說。

到目前為(wei) 止，由於(yu) 所使用的有機染料在強光的影響下緩慢光降解，激光器以脈衝(chong) 方式工作。科學家們(men) 希望用更耐用的聚合物或無機材料（如鈣鈦礦）取代有機發射體(ti) ，可以延長壽命。

“獲得的精確可調諧激光器可用於(yu) 物理、化學、醫學和通信的許多領域。我們(men) 利用非線性現象創建一個(ge) 完全光學的神經形態網絡。這種新的光子結構可以提供一個(ge) 強大的機器學習(xi) 工具，用於(yu) 解決(jue) 複雜的分類和推理問題，並以更快的速度和更高的速度處理大量信息能源效率。”華盛頓大學物理學院的 Barbara Pietka教授補充道。

相關(guan) 鏈接：https://phys.org/news/2022-03-physicists-microlaser-emitting-circular.html

參考資料：Marcin Muszyński et al, Realizing Persistent-Spin-Helix Lasing in the Regime of Rashba-Dresselhaus Spin-Orbit Coupling in a Dye-Filled Liquid-Crystal Optical Microcavity, Physical Review Applied (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.014041