微結構以增益、非線性、內(nei) 部散射和邊界效應為(wei) 特征，為(wei) 探索隨機激光、混沌和多維散斑等複雜光學現象提供了一個(ge) 特殊的平台。具體(ti) 而言，在微腔和光纖中產(chan) 生的複雜激光，在其中強光約束和散射發揮著不同的作用，已成為(wei) 激光研究的一個(ge) 重要分支。

最近，材料、微納技術和人工智能的快速發展為(wei) 複雜激光器的產(chan) 生、控製和應用帶來了新的機遇和挑戰。在此，天津航海儀(yi) 器研究所、電子科技大學和深圳大學的研究人員（天津市量子精密測量重點實驗室朱洪楊博士和電子科技大學光纖傳(chuan) 感與(yu) 通信教育部重點實驗室博士研究生何真為(wei) 共同第一作者，電子科技大學的張偉(wei) 利教授和深圳大學高等研究院的馬瑞副研究員為(wei) 通信作者）從(cong) 微腔結構無序度漸增的視角出發，係統地研究了各種類型的微腔複合激光器的產(chan) 生、調控及前沿應用進展。主要介紹了無序微腔激光器的曆史發展、特點、規律和應用，並對微腔複合激光器的未來發展趨勢進行了討論。該成果以“Microcavity complex lasers：from order to disorder”為(wei) 題，以特邀綜述發表於(yu) ANNALEN DER PHYSIK上。

複雜無序係統廣泛存在於(yu) 自然和人工介質中，引起了人們(men) 的廣泛關(guan) 注，從(cong) 鳥類和蟬的翅膀生長到肌肉纖維組織中的無序分子碰撞，最後延伸到各種人工製備的係統。英國著名物理學家霍金預言，“21世紀將是複雜係統科學的世紀。”2021年諾貝爾物理學獎授予研究複雜無序係統的科學家喬(qiao) 治·帕裏西，以表彰他對自旋玻璃態的研究。有序和隨機現象理論對物理學、數學、生物學、神經科學和機器學習(xi) 等研究領域產(chan) 生了深遠的影響。普遍存在的複雜無序係統可以為(wei) 實現激光器的新特性和新功能提供廣泛的材料。因此，出現了許多複雜的光學現象，如對稱性破壞、隨機激光、混沌光、神經元樣事件等。這些現象會(hui) 導致不可預測的激光輸出和參數混亂(luan) 。同時，它們(men) 還可以引入高效的激光輸出特性，產(chan) 生具有低閾值和定向輸出的高質量激光，並為(wei) 激光控製提供更多的自由度。

激光，即受激輻射光放大，是20世紀人類最重要的發明之一，與(yu) 原子核能和半導體(ti) 器件並列，代表了量子理論的一項重大成就。它被稱為(wei) “最快的刀”、“最準確的尺子”和“最明亮的光”，因為(wei) 它具有高單色性、高亮度和強指向性的特點。激光腔的傳(chuan) 統設計需要精確的對稱分布、固定的幾何配置和穩定的活性介質。這確保了諧振機製和相關(guan) 輸出參數的穩定性和一致性。然而，它也減少了參數控製的自由度。因此，學術界開始在跨學科領域探索優(you) 化的製備方法，旨在使激光器更簡單、更高效、低成本、易於(yu) 調諧。

典型的激光器由三個(ge) 基本元件組成：泵浦源、放大受激輻射的增益介質和產(chan) 生光學諧振的腔結構。當激光器的腔尺寸接近微米或亞(ya) 微米時，它產(chan) 生了當前學術界的研究熱點之一：微腔激光器，它能夠在小體(ti) 積內(nei) 實現顯著的光和材料相互作用，具有廣泛的應用前景。將微腔與(yu) 複雜係統相結合，例如引入不規則或無序的腔邊界，或將複雜和無序的工作介質引入微腔，為(wei) 激光輸出增加了更多的自由度，豐(feng) 富了激光機製的多維調節方法。此外，無序腔的物理不可克隆特性導致了輸出的隨機性。複雜微腔激光器的輸出通常是不可預測的和參數無序的，阻礙了其在傳(chuan) 統領域的應用。因此，有必要研究微腔中光與(yu) 物質的相互作用機製，有效地調製複雜激光器的輸出特性，以充分利用這些激光器的獨特優(you) 勢，擴大其應用潛力。圖1為(wei) 微腔複雜激光器的研究體(ti) 係。

圖1 微腔複雜激光器的研究體(ti) 係。

1、隨機微腔激光器的不同係統

研究人員從(cong) 不同腔體(ti) 維度的角度對隨機微腔激光器進行分類。這種區分不僅(jin) 突出了隨機微腔激光在不同維度上的獨特輸出特性，也闡明了隨機微腔的尺寸差異在各種調控和應用領域的優(you) 勢，其中三維固態微腔通常具有較小的模體(ti) 積，從(cong) 而實現更強的光物質相互作用。由於(yu) 其三維封閉結構，光場可以在三個(ge) 維度上高度局域化，通常具有高品質因子。這些特性使其適用於(yu) 高精度傳(chuan) 感、光子存儲(chu) 、量子信息處理等先進技術領域。

而開放的二維薄膜係統是構建無序平麵結構的理想平台，薄膜係統可以作為(wei) 具有集成增益和散射的二維無序介質平麵，積極參與(yu) 隨機激光的生成。“平麵波導效應”使激光的耦合和收集更加容易。隨著腔體(ti) 維度進一步降低，將反饋和增益介質集成到一維波導中，可以抑製徑向光散射，同時增強軸向光的共振和耦合，這種集成方式最終提高了激光產(chan) 生和耦合的效率。

2、隨機微腔激光器的調控特性

傳(chuan) 統激光器的多種指標，如相幹性、閾值、輸出方向和偏振特性等，都是衡量激光器輸出性能的關(guan) 鍵標準。與(yu) 具有固定對稱腔體(ti) 的傳(chuan) 統激光器相比，隨機微腔激光器在參數調控方麵提供了更大的靈活性，體(ti) 現在包括時域、光譜域和空域等多個(ge) 維度，突顯了隨機微腔激光的多維可控性。

例如，通過優(you) 化泵浦參數、調整散射強度和改變增益介質的發光效率來調節隨機激光的閾值。隨機激光的輸出模式本質上是無序的，表現為(wei) 低空間相幹性（無散斑）和低時間相幹性（具有大量縱模），與(yu) 通常僅(jin) 有單一輸出模式的傳(chuan) 統激光器相比，隨機激光的低相幹性為(wei) 研究模式調製提供了眾(zhong) 多可控自由度。目前，研究人員廣泛采用的方法是通過泵浦自適應調整來實現隨機激光的定向輸出、單一光譜模式及其對應空間模式的選擇輸出。此外，隨機激光的方向性與(yu) 散射路徑密切相關(guan) ，通過優(you) 化微腔載體(ti) 、優(you) 化泵浦形狀以及利用外場控製內(nei) 部介質等方式，可以有效減少隨機激光器的全向發射缺陷。

3、隨機微腔激光器的應用特性

低空間相幹性、模式隨機性和對環境敏感特性等為(wei) 隨機微腔激光器的應用提供了許多有利因素。隨著隨機激光的模式控製和方向調控問題的解決(jue) ，這種獨特的光源越來越多地應用於(yu) 成像、醫學診斷、傳(chuan) 感、信息通信等領域。作為(wei) 微納尺度的無序微腔激光器，隨機微腔激光器對環境變化非常敏感，其參數特性可以響應各種監測外部環境的敏感指標，如溫度、濕度、pH值、液體(ti) 濃度、折射率等，為(wei) 實現高靈敏度的傳(chuan) 感應用創造了一個(ge) 優(you) 越的平台。

在成像領域，理想的光源應具有高光譜密度、強定向輸出和低空間相幹性，以防止幹涉散斑效應。研究人員們(men) 通過在鈣鈦礦、生物膜、液晶散射體(ti) 和細胞組織等載體(ti) 中均驗證了隨機激光在無散斑成像中的優(you) 勢。在醫學診斷中，隨機微腔激光可以攜帶來自生物宿主的散射信息，成功應用於(yu) 檢測各種生物組織，為(wei) 無創醫療診斷提供了便利。

總之，研究人員總結了自然界和人工環境中廣泛存在的無序結構中包含的複雜激光現象，定義(yi) 了微腔複雜激光的概念，梳理了不同類型的微腔複雜激光，並重點介紹了隨機微腔激光的發展、調控及應用。

未來，對無序微腔結構和複雜激光生成機製的係統分析將變得更加完善。隨著材料科學和納米技術的不斷進步，可預期將製造出更加精細和功能化的無序微腔結構，在推動基礎研究和實際應用方麵具有巨大潛力。