マイクロキャビティスーパーモードでの刺激散乱：シングルモードまたはデュアルモードレーザー？

縮退に近い光学スーパーモデルによって生成されたマイクロキャビティレーザーは、非エルミート物理学、オンチップコヒーレント光源、高感度センシング、その他のフォトニクスの基本的な理論と応用において大きな可能性を秘めているため、長い間研究のホットスポットとなっています。 。 なかでも、超狭線幅、柔軟な使用波長、ゲイン材料などのメリットから、ラマンレーザーに代表される刺激散乱レーザーが注目されています。

ラマンレーザーやブリルアンレーザーなどのマイクロキャビティスーパーモードでの刺激散乱は、レーザースペクトルのビート周波数を使用することにより、正確な測定において前例のない利点を示します。しかし、重要な質問は20年間研究者を悩ませてきました。この質問は、マイクロキャビティスーパーモードレーザーがシングルモードかデュアルモードかということです。
数日前、北京大学物理学部のXiaoYunfeng教授とAcademicianGong Qihuangが率いる研究チーム、ナノオプティクスエレクトロニクスのフロンティアサイエンスセンター、および人工微細構造とメゾスコピック物理学の国家主要研究所が重要になりました。マイクロキャビティレーザーの研究の進歩。彼らは、マイクロキャビティスーパーモード刺激散乱レーザースペクトルの性質に関する学界での長年の論争の解決に焦点を当て、理論的分析と実験的研究を通じて、マイクロキャビティスーパーモードラマンレーザーのシングルモードの性質を明らかにしました。レーザー自己注入による時間この方法は、レーザーモードの動的切り替えを実現します。





関連する研究結果は「スーパーモードラマンレーザーのシングルモード特性」と題され、全米科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されています。北京大学物理学部の2018年の博士課程の学生であるPeijiZhangと、2016年の学部生であるJi Qingxinは、この論文の共同筆頭著者です。



マイクロキャビティスーパーモード刺激散乱レーザーは、ナノ粒子検出と超高感度光ジャイロスコープの研究において重要な進歩を遂げましたが、そのレーザーモードのスペクトル特性は常に物議を醸しています。一方では、刺激散乱レーザーのゲインクランプ効果がシングルモードレーザー発振につながる可能性があります。他方では、マイクロキャビティスーパーモードラマンレーザーで広く観察されているうなり周波数現象は、デュアルモードレーザー発振の証拠を提供します。未解決の論争は、スーパーモードレーザーのさらなる研究と応用を妨げています。



北京大学のポスドク研究員である曹操は、「このようなうなり現象は教科書の内容と矛盾するが、存在するので、まだ発見されていない物性があると思う」と述べた。散乱とその逆のささやき壁のマイクロキャビティ。伝播する進行波モードは互いに結合して一対の光学スーパーモードを形成します（図1）。このシステムに基づいて、研究チームはスーパーモードラマンのシングルモード特性を証明しました。初めてのレーザー。



研究者らは、低しきい値のスーパーモードラマンレーザーを製造し、アドドロップ結合構造を使用してキャビティ内のポンプライトフィールドのエネルギーを直接観察し、スーパーモードラマンレーザーのゲインクランプ効果を証明しました（図2）。さらに、ヘテロダイン法を使用して30 dBを超えるサイドモード抑制比（SMSR）を測定しました。これにより、スーパーモードマイクロキャビティでのラマンレーザーのシングルモードの性質が明確に証明されました。








同校の博士課程の学生であるチャン・ペイジ氏は、うなり周波数現象の物理的原因を調査するために、研究チームはレーザー自己注入法を採用して、出力ラマンレーザーの一部をマイクロキャビティに再結合して干渉すると述べた。反対方向のライトフィールドで、それによって動的に2つを制御します。光学スーパーモデルの損失。



実験的に、研究者らは、出力レーザーの弱い反射に自己注入法を導入し、出力レーザーの一部をキャビティに注入して、キャビティ内のレーザーフィールドに干渉しました。自己注入法を使用すると、以前に観察された周期的なうなり現象が時間領域に現れます。このとき、時間領域のラマン出力レーザーは、以前の実験で観察された周期的なビート信号に見えます。理論的な計算と分析を組み合わせて、研究者たちは、ビート信号は、安定したデュアルモードレイジングではなく、2つのレイジングモードの交互プロセス中の動的干渉から発生したと説明しました。



アプリケーションの観点から、この自己注入法は、縮退したレーザーを選択的に生成し、それらのサイドモード抑制率を改善するのに役立つ可能性があります。 「私たちの研究結果は、マイクロキャビティスーパーモードでの刺激散乱のレーザースペクトルパラドックスに関する長年の論争を明確に示しています。さらに、この研究はマイクロキャビティレーザーに基づく高感度光学センサーです。効果的なガイダンスを提供し、また、再構築された光源や低損失の光ストレージなどのアプリケーションでも重要な役割を果たします。」