近日，北京大學(xué)物理學(xué)院、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室肖云峰、曹啟韜等人在超高品質(zhì)因子光學(xué)微腔激光系統(tǒng)中，首次實(shí)驗(yàn)解析了激光態(tài)切換的臨界動(dòng)力學(xué)：當(dāng)外部控制參數(shù)以不同速率掃過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)，激光從一支近簡(jiǎn)并的駐波超模態(tài)切換到另一支所需的轉(zhuǎn)變時(shí)間，遵循普適的平方根冪律標(biāo)度關(guān)系。該結(jié)果為微腔激光器的高速可重構(gòu)控制提供了可對(duì)標(biāo)的時(shí)間標(biāo)尺，也為非平衡驅(qū)動(dòng)-耗散光子系統(tǒng)的臨界動(dòng)力學(xué)研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

光學(xué)微腔具有超高的品質(zhì)因子與豐富的非線性/非厄米效應(yīng)，是研究激光動(dòng)力學(xué)與實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)光源的重要平臺(tái)。微腔中常見(jiàn)的模式競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致激光在多個(gè)近簡(jiǎn)并態(tài)之間躍遷。以往人們更多聚焦于激光態(tài)切換先后的穩(wěn)態(tài)特性，而難以直接“看見(jiàn)”切換過(guò)程如何發(fā)生、需要多長(zhǎng)時(shí)間等臨界行為（圖1）。另一方面，在激光態(tài)切換的臨近動(dòng)力學(xué)也是可重構(gòu)光子芯片、耦合腔激光網(wǎng)絡(luò)和新型信息處理等需求的重要物理基礎(chǔ)。然而，在臨界條件附近，上述過(guò)程短暫且對(duì)噪聲敏感，使得長(zhǎng)期以來(lái)“切換過(guò)程本身”難以被直接捕捉與定量刻畫(huà)。

圖1 光學(xué)微腔近簡(jiǎn)并模式間的激光態(tài)切換過(guò)程示意圖，對(duì)應(yīng)模式內(nèi)布居光子數(shù)動(dòng)態(tài)變化

為此，研究團(tuán)隊(duì)以品質(zhì)因子超過(guò)6×10⁷的回音壁微腔產(chǎn)生的拉曼激光為研究體系，構(gòu)建了“非厄米干涉耦合+射頻拍頻探測(cè)”的實(shí)驗(yàn)方案：通過(guò)自注入反饋回路連續(xù)調(diào)控注入相位，從而改變回注光與腔內(nèi)光場(chǎng)的干涉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)增益與損耗平衡的連續(xù)調(diào)節(jié)。借助這一“可編程控制旋鈕”，研究者可以以設(shè)定的速率跨越臨界點(diǎn)，反復(fù)觸發(fā)并對(duì)比不同掃描條件下的切換過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)變時(shí)間隨控制參數(shù)掃速呈冪律下降，指數(shù)約為0.5（圖2）；進(jìn)一步的研究表明，在耦合微腔網(wǎng)絡(luò)中該指數(shù)仍保持普適的魯棒性。

圖2 （a）激光態(tài)切換的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)成像；（b）轉(zhuǎn)換時(shí)間隨掃描速率的時(shí)間標(biāo)度律

該工作為面向可重構(gòu)光源、片上光子網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的器件設(shè)計(jì)提供了基本時(shí)間尺度參考；同時(shí)也為驅(qū)動(dòng)-耗散的非平衡光子系統(tǒng)臨界動(dòng)力學(xué)提供了有效的實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)，為相關(guān)普適規(guī)律的建立與檢驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以“Power-law scaling of lasing-state switching in optical microcavities”為題在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。論文第一作者為曹啟韜，通訊作者為肖云峰；合作者包括北京大學(xué)物理學(xué)院2016級(jí)本科生紀(jì)青鑫、2018級(jí)博士生張沛吉、2024級(jí)博士生王遲傲和全海濤教授、劉文靜研究員及彭湃研究員等。

上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。