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手性激光能精準地只激發(fā)或輸出某一種特定的振動模式并抑制其他不需要的模式，相比普通激光更“專一”“精準”，在量子光學、生物傳感、光通信等領域應用前景廣闊。

中國科學院半導體研究所鄭婉華院士團隊等，創(chuàng)新性提出一種通過光子晶體實現(xiàn)手性激光發(fā)射的路徑，為構造實用的芯片級手性激光器提供新方案。

01

雙重挑戰(zhàn)

當人們談論激光時，腦海中往往浮現(xiàn)出一束筆直向前的光束，比如超市掃碼槍或激光筆發(fā)出的光。

其實，激光不僅能直線傳播，還能像陀螺一樣 “左旋”“右旋”，這種特性與分子或物體的手性（如左手與右手的鏡像對稱性）類似。在制藥、生物檢測、量子技術等需要區(qū)分左旋/右旋、左手性/右手性的應用場景中，手性激光比普通激光更“懂行”，也更好用。

手性激光的核心是讓激光光束攜帶明確且單一的手性（如左旋渦旋或右旋渦旋），但光的手性容易受對稱性影響而失去專一性，且手性模式對溫度變化、材料缺陷等環(huán)境擾動極為敏感。

抑制非手性模式而過度設計復雜結構，可能導致激光效率大幅下降、無法實用。因此，如何實現(xiàn)手性激光的高效激發(fā)與穩(wěn)定調(diào)控，同時滿足集成化、實用化需求，是科學研究的一大挑戰(zhàn)。

02

集體共振賦能手性激光發(fā)射

研究團隊提出的手性激光發(fā)射新路徑主要分兩步，首先是設計一種圓形邊界的有源光子晶體，利用其邊界散射效應使原本離散的光子晶體模式形成集體振蕩。

▲集體振蕩現(xiàn)象圖示

集體振蕩，即多個獨立諧振體在相互作用下共同形成整體振蕩，且整體諧振特性與單個諧振體存在顯著差異的現(xiàn)象。比如，當你逐一敲響一排編鐘時，每個鐘都有自己的音調(diào)，但當它們同時振動時，卻會產(chǎn)生一種全新的和聲。

集體振蕩通常是用實空間中相互作用的諧振體系來構造。在圓形邊界散射效應作用下，原本獨立傳播的多個光子晶體導模發(fā)生各向同性耦合，進而在動量空間形成了二重簡并的集體振蕩，使得光束高度集中、傳輸效率大幅提升。

▲集體振蕩原理

03

給激光發(fā)射裝上“方向盤”

集體振蕩的實現(xiàn)只是第一步，讓激光“左旋”還是“右旋”？關鍵在于打破對稱。

研究團隊巧妙地使用了“非對稱泵浦”技術。簡單說，就是從晶體的不同位置注入能量，就像給兩個旋轉方向相反的陀螺施加不等的推力，讓其中一個占據(jù)主導，進而成功實現(xiàn)了單一手性的激光發(fā)射。

為證明實現(xiàn)激光的單一手性，研究團隊進行了實驗驗證：讓激光自己和自己“干涉”。就像水波相遇會形成明暗條紋一樣，手性激光的自干涉會產(chǎn)生獨特的“叉形條紋”。左旋和右旋激光的條紋叉口方向相反，清晰地顯示了它們的旋轉特性。更神奇的是，這種激光的中心強度為零，形成一個 “相位奇點”——就像漩渦的中心，所有的能量都繞著這個點旋轉。

傳統(tǒng)的渦旋激光設備往往體積龐大、結構復雜，手性激光器不僅結構更緊湊、集成度更高，還能在光的“手性”維度上提供新的調(diào)控自由度。

▲手性渦旋激射特征

這項研究向我們展示了微觀世界的精妙控制藝術，為構造實用化的芯片級渦旋激光器提供了新思路，有望為量子/光子計算、傳感、微操控和手性鑒別提供高質量光源。