Koherenta ljuskällor är en av de mest avgörande grunderna inom både vetenskapliga discipliner och avancerade tillämpningar. Som en framstående plattform, ultrahigh-Q whispering-gallery mode (WGM) mikrohåligheter har sett betydande utvecklingar av nya ljuskällor. Dock, den inneboende kirala symmetrin hos WGM-mikrokavitetsgeometrin och den resulterande ekvivalensen mellan de två riktningarna för laserutbredning i en kavitet begränsar allvarligt ytterligare tillämpningar av mikrolasrar.

Väldigt nyligen, ett team av forskare ledda av professor Xiao Yun-Feng och professor Gong Qihuang vid Peking University, i samarbete med professor Qiu Cheng-Wei vid National University of Singapore och professor Stefan Rotter vid Wiens tekniska universitet, har demonstrerat en spontant symmetri-bruten mikrolaser i en ultrahög-Q WGM-mikrokavitet, uppvisar omkonfigurerbara utbredningsriktningar för den kirala lasern. Detta arbete har publicerats online i Naturkommunikation den 28 februari, 2019.

I tidigare studier, befintliga lösningar för en kiral mikrolaser använder sig huvudsakligen av att explicit bryta struktursymmetrin hos en WGM-mikrokavitet. Tyvärr, skalbarheten och omkonfigurerbarheten för dessa föregående strategier är starkt begränsade eftersom enheterna, en gång tillverkad, kom med ett prefix, icke-skräddarsydd laserriktning. I det här arbetet, forskarna uppnår en omkonfigurerbar kiral mikrolaser i en symmetrisk WGM-mikrokavitet genom att använda den kavitetsförstärkta optiska Kerr-olinjäriteten.

"Vi använde mikrokavitets Raman-lasrar i experimentet, som vanligtvis involverar ett par balanserade medurs (CW) och moturs (CCW) vågor, sa Cao Qi-Tao, en Ph.D. student vid Peking University och en av de första författarna till detta arbete. Raman-laservågorna i de två riktningarna är sammankopplade genom linjär Rayleigh-spridning och olinjär fasmodulering genom optisk Kerr-effekt. När kraften hos mikrolasern med en viss fas ökar och når ett tröskelvärde, den linjära kopplingen kompenseras helt av den olinjära kopplingen. Över denna tröskel, laserfältets kirala symmetri bryts spontant, och Raman-vågen utvecklas slumpmässigt till ett kiralt tillstånd med en CW- eller CCW-dominerad laserutbredning. Experimentellt, ett aldrig tidigare skådat förhållande mellan utsläppsintensiteter som motverkar spridning överstiger 160:1. Vidare, riktningsförmågan hos sådan den kirala mikrolasern styrs helt optiskt och dynamiskt av förspänningen i pumpriktningen, och tröskeln för symmetribrytning är justerbar med hjälp av en nanotipsspridare.

"Våra resultat bryter perceptionsgränsen för hur man realiserar en omkonfigurerbar koherent ljuskälla, för att möjliggöra en kraftfull omkonfigurerbarhet av en lasers riktning och kiralitet, och att utöka en långvarig inverkan på nanofotonik på chip och icke-linjära processer, ", sa professor Xiao. "En sådan spontant kiral emitterande laser kan också utökas till olika mikrostrukturer, och är nästan fri från den materiella gränsen på grund av Kerr-olinjäritetens allestädes närvarande."