手性激光能精準地隻激發或輸出某一種特定的振動模式並抑製其他不需要的模式，相比普通激光更“專(zhuan) 一”“精準”，在量子光學、生物傳(chuan) 感、光通信等領域應用前景廣闊。

中國科學院半導體(ti) 研究所鄭婉華院士團隊等，創新性提出一種通過光子晶體(ti) 實現手性激光發射的路徑，為(wei) 構造實用的芯片級手性激光器提供新方案。

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雙重挑戰

當人們(men) 談論激光時，腦海中往往浮現出一束筆直向前的光束，比如超市掃碼槍或激光筆發出的光。

其實，激光不僅(jin) 能直線傳(chuan) 播，還能像陀螺一樣 “左旋”“右旋”，這種特性與(yu) 分子或物體(ti) 的手性（如左手與(yu) 右手的鏡像對稱性）類似。在製藥、生物檢測、量子技術等需要區分左旋/右旋、左手性/右手性的應用場景中，手性激光比普通激光更“懂行”，也更好用。

手性激光的核心是讓激光光束攜帶明確且單一的手性（如左旋渦旋或右旋渦旋），但光的手性容易受對稱性影響而失去專(zhuan) 一性，且手性模式對溫度變化、材料缺陷等環境擾動極為(wei) 敏感。

抑製非手性模式而過度設計複雜結構，可能導致激光效率大幅下降、無法實用。因此，如何實現手性激光的高效激發與(yu) 穩定調控，同時滿足集成化、實用化需求，是科學研究的一大挑戰。

02

集體(ti) 共振賦能手性激光發射

研究團隊提出的手性激光發射新路徑主要分兩(liang) 步，首先是設計一種圓形邊界的有源光子晶體(ti) ，利用其邊界散射效應使原本離散的光子晶體(ti) 模式形成集體(ti) 振蕩。

▲集體(ti) 振蕩現象圖示

集體(ti) 振蕩，即多個(ge) 獨立諧振體(ti) 在相互作用下共同形成整體(ti) 振蕩，且整體(ti) 諧振特性與(yu) 單個(ge) 諧振體(ti) 存在顯著差異的現象。比如，當你逐一敲響一排編鍾時，每個(ge) 鍾都有自己的音調，但當它們(men) 同時振動時，卻會(hui) 產(chan) 生一種全新的和聲。

集體(ti) 振蕩通常是用實空間中相互作用的諧振體(ti) 係來構造。在圓形邊界散射效應作用下，原本獨立傳(chuan) 播的多個(ge) 光子晶體(ti) 導模發生各向同性耦合，進而在動量空間形成了二重簡並的集體(ti) 振蕩，使得光束高度集中、傳(chuan) 輸效率大幅提升。

▲集體(ti) 振蕩原理

03

給激光發射裝上“方向盤”

集體(ti) 振蕩的實現隻是第一步，讓激光“左旋”還是“右旋”？關(guan) 鍵在於(yu) 打破對稱。

研究團隊巧妙地使用了“非對稱泵浦”技術。簡單說，就是從(cong) 晶體(ti) 的不同位置注入能量，就像給兩(liang) 個(ge) 旋轉方向相反的陀螺施加不等的推力，讓其中一個(ge) 占據主導，進而成功實現了單一手性的激光發射。

為(wei) 證明實現激光的單一手性，研究團隊進行了實驗驗證：讓激光自己和自己“幹涉”。就像水波相遇會(hui) 形成明暗條紋一樣，手性激光的自幹涉會(hui) 產(chan) 生獨特的“叉形條紋”。左旋和右旋激光的條紋叉口方向相反，清晰地顯示了它們(men) 的旋轉特性。更神奇的是，這種激光的中心強度為(wei) 零，形成一個(ge) “相位奇點”——就像漩渦的中心，所有的能量都繞著這個(ge) 點旋轉。

傳(chuan) 統的渦旋激光設備往往體(ti) 積龐大、結構複雜，手性激光器不僅(jin) 結構更緊湊、集成度更高，還能在光的“手性”維度上提供新的調控自由度。

▲手性渦旋激射特征

這項研究向我們(men) 展示了微觀世界的精妙控製藝術，為(wei) 構造實用化的芯片級渦旋激光器提供了新思路，有望為(wei) 量子/光子計算、傳(chuan) 感、微操控和手性鑒別提供高質量光源。