Coherente lichtbronnen zijn een van de meest cruciale fundamenten in zowel wetenschappelijke disciplines als geavanceerde toepassingen. Als prominent platform, ultrahoge-Q fluistergalerijmodus (WGM) microholtes zijn getuige geweest van significante ontwikkelingen van nieuwe lichtbronnen. Echter, de intrinsieke chirale symmetrie van WGM-microholtegeometrie en de resulterende gelijkwaardigheid tussen de twee richtingen van laservoortplanting in een holte beperkt verdere toepassingen van microlasers ernstig.

Zeer onlangs, een team van onderzoekers onder leiding van professor Xiao Yun-Feng en professor Gong Qihuang aan de Universiteit van Peking, in samenwerking met professor Qiu Cheng-Wei aan de National University of Singapore en professor Stefan Rotter aan de Technische Universiteit van Wenen, heeft een spontaan door symmetrie gebroken microlaser aangetoond in een ultrahoge Q WGM-microholte, vertonen herconfigureerbare voortplantingsrichtingen van de chirale laser. Dit werk is online gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 28 februari, 2019.

In eerdere onderzoeken is bestaande oplossingen voor een chirale microlaser nemen voornamelijk hun toevlucht tot het expliciet doorbreken van de structuursymmetrie van een WGM-microholte. Helaas, de schaalbaarheid en herconfigureerbaarheid van deze voorgaande strategieën zijn sterk beperkt omdat de apparaten, eenmaal gefabriceerd, komen met een voorvoegsel, niet-aanpasbare laserrichting. In dit werk, de onderzoekers bereiken een herconfigureerbare chirale microlaser in een symmetrische WGM-microholte door gebruik te maken van de holte-versterkte optische Kerr-niet-lineariteit.

"We gebruikten microcavity Raman-lasers in het experiment, die over het algemeen een paar gebalanceerde golven met de klok mee (CW) en tegen de klok in (CCW) inhouden, " zei Cao Qi-Tao, een doctoraat student aan de Universiteit van Peking en een van de co-eerste auteurs van dit werk. De Raman-lasergolven in de twee richtingen zijn aan elkaar gekoppeld door middel van lineaire Rayleigh-verstrooiing aan het oppervlak en niet-lineaire fasemodulatie door optisch Kerr-effect. Naarmate het vermogen van de microlaser met een bepaalde fase toeneemt en een drempel bereikt, de lineaire koppeling wordt volledig gecompenseerd door de niet-lineaire koppeling. Boven deze drempel de chirale symmetrie van het laserveld breekt spontaan, en de Raman-golf evolueert willekeurig naar een chirale toestand met een CW of CCW gedomineerde laservoortplanting. Experimenteel, een ongekende verhouding van zich tegengestelde emissie-intensiteiten wordt verkregen van meer dan 160:1. Verder, de directionaliteit van zo'n chirale microlaser wordt volledig optisch en dynamisch geregeld door de bias in de pomprichting, en de symmetriebrekingsdrempel is instelbaar met behulp van een nanotip-verstrooier.

"Onze resultaten doorbreken de perceptiegrens van hoe een herconfigureerbare coherente lichtbron te realiseren, om een ​​krachtige herconfigureerbaarheid van de directionaliteit en chiraliteit van een laser mogelijk te maken, en om een ​​langdurige impact op on-chip nanofotonica en niet-lineaire processen uit te breiden, "zei professor Xiao. "Zo'n spontaan chirale emitterende laser kan ook worden uitgebreid tot verschillende microstructuren, en is bijna vrij van de materiële limiet vanwege de alomtegenwoordigheid van de Kerr-niet-lineariteit."