來自華沙大學(xué)、軍事科技大學(xué)和南安普頓大學(xué)的科學(xué)家們展示了一種新型可調(diào)諧微激光，它能發(fā)射兩束光?！斑@些光束是圓偏振的，并且指向不同的角度?！比A沙大學(xué)物理系的Jacek Szczytko教授說。這一成就是通過在微腔表面創(chuàng)建所謂的持續(xù)自旋螺旋獲得的。研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論應(yīng)用》（Physical Review Applied）雜志上。

兩束可調(diào)諧微激光，光束是圓偏振的，并 指向不同的角度。

為了達(dá)到這一效果，科學(xué)家們在光學(xué)微腔中填充了摻有有機(jī)激光染料的液晶。這種微腔由兩個(gè)完美的鏡子組成，它們彼此靠近，距離為2~3μm，這樣就可以在腔內(nèi)形成一個(gè)固定的電磁波。鏡子之間的空間填充了一種特殊的光學(xué)介質(zhì)-液晶，它是另外用一種特殊的鏡子涂層組織起來的。

“液晶的特征是它們細(xì)長的分子，打個(gè)比方說，它們梳在鏡子的表面，可以在外部電場的影響下站立，也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)填充空腔的其他分子?！眮碜匀A沙大學(xué)物理系的第一作者M(jìn)arcin Muszynski說。

當(dāng)傳播波的電場沿著分子振蕩時(shí)，當(dāng)振蕩垂直于分子時(shí)，腔內(nèi)的光以不同的方式與分子相互作用。液晶是一種雙折射介質(zhì)，具有兩種折射率，這取決于電場振蕩的方向(即所謂的電磁波極化)。

在軍事科技大學(xué)獲得的激光微腔內(nèi)分子的精確排列，導(dǎo)致了腔內(nèi)出現(xiàn)兩種線偏振光模式。電場改變了光腔內(nèi)分子的方向，從而改變了液晶層的有效折射率。因此，它控制所謂的光路的長度——光腔寬度和折射率的乘積，而折射率是發(fā)射光的能量(顏色)所依賴的。其中一種模態(tài)的能量不隨分子旋轉(zhuǎn)而改變，而另一種模態(tài)的能量則隨分子方向的改變而增加。

通過對(duì)放置在液晶分子之間的有機(jī)染料進(jìn)行光刺激，獲得了具有嚴(yán)格定義能量的相干光輻射的激光效應(yīng)。液晶分子的逐漸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致了這種激光的意想不到的特性。激光實(shí)現(xiàn)了這種可調(diào)模式:激光發(fā)射一個(gè)垂直于反射鏡表面的線偏振光束。液晶的使用使得光的波長隨著電場的變化可以平滑地調(diào)整多達(dá)40nm。

“然而，當(dāng)我們旋轉(zhuǎn)液晶分子，使對(duì)分子取向敏感的模式和不改變其能量的模式的能量重疊時(shí)（也就是說，它們處于共振狀態(tài)）從空腔發(fā)出的光突然改變了它的偏振從線性到兩個(gè)圓形：右和左手，兩個(gè)圓極性在不同的方向上傳播，以若干度的角度?！比A沙大學(xué)物理系的Jacek Szczytko教授說。

“激光的相位相干性以一種有趣的方式得到了證實(shí)。所謂的持續(xù)-自旋螺旋條紋模式，具有不同的光偏振，間隔3μm，出現(xiàn)在樣品的表面。理論計(jì)算表明，當(dāng)兩束相對(duì)偏振光相參且兩種光模不可分時(shí)，可以形成這樣的圖案——這種現(xiàn)象可以與量子糾纏相比較?！盡arcin Muszynski解釋說。

到目前為止，由于所使用的有機(jī)染料在強(qiáng)光的影響下緩慢光降解，激光器以脈沖方式工作?？茖W(xué)家們希望用更耐用的聚合物或無機(jī)材料（如鈣鈦礦）取代有機(jī)發(fā)射體，可以延長壽命。

“獲得的精確可調(diào)諧激光器可用于物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)和通信的許多領(lǐng)域。我們利用非線性現(xiàn)象創(chuàng)建一個(gè)完全光學(xué)的神經(jīng)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)。這種新的光子結(jié)構(gòu)可以提供一個(gè)強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，用于解決復(fù)雜的分類和推理問題，并以更快的速度和更高的速度處理大量信息能源效率。”華盛頓大學(xué)物理學(xué)院的 Barbara Pietka教授補(bǔ)充道。

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參考資料：Marcin Muszyński et al, Realizing Persistent-Spin-Helix Lasing in the Regime of Rashba-Dresselhaus Spin-Orbit Coupling in a Dye-Filled Liquid-Crystal Optical Microcavity, Physical Review Applied (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.014041