回音壁激光的单模式调控方法研究进展.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年 8 月物理学进展PROGRESS IN PHYSICSVol.43 No.4Aug.2023回音壁激光的单模式调控方法研究进展回音壁激光的单模式调控方法研究进展刘硕1，王宇琛1，王秀华1，侯睿21.青岛理工大学理学院，青岛 2665252.青岛理工大学信息与控制工程学院，青岛 266525摘要：摘要：回音壁模式微腔因模式体积小、超高 Q 值和低阈值的优点得到了广泛的关注，但是在旋转对称的回音壁微腔中会产生多纵模激光辐射，并且辐射的方向性较差，在实际应用中受到限制，寻求有效方法实现回音壁激光的单模辐射是微腔激光器走向实际应用的关键问题。本综述重点阐述了近年来回音壁激光单模调控的几种方法，包括减小腔体尺寸、外加选模结构、基于游标效应、基于宇称时间对称性破缺、变形微腔等，并对单模回音壁激光的发展前景进行了展望。通过本综述以期为相关领域研究人员提供参考，深入理解回音壁激光单模调控的物理机理。关键词：关键词：回音壁微腔；单模式调控；游标效应；宇称时间对称性；变形微腔中图分类号：中图分类号：TN243文献标识码：文献标识码：ADOI:10.13725/ki.pip.2023.04.002目录I.前言117II.WGM 激光单模调控方法118A.基于腔体尺寸的单模调控118B.基于外加选模结构的模式调控118C.基于游标效应的模式调控119D.基于宇称时间对称性破缺的模式调控122E.通过变形微腔实现模式调控与定向发射1221.特殊形状微腔1232.非对称微腔124III.总结和展望125致谢125参考文献125I.前言回音壁模式(Whispering Gallery Mode,简称WGM)微腔是光学谐振腔的一种。近年来，WGM 微腔由于具有较高的品质因数 Q(108-1010)、极小的模式体积、成本低廉以及易于片上集成等独特的优点，作为重要的光学元件在低阈值微型激光器15、腔量子动力学68、光学非线性效应911、高灵敏生化传感12,13以及光通信3,14方面有巨大的研究价值和应用潜力。收稿日期：2023-05-24 E-mail:WGM 通常发生在轴对称微腔中，例如微球15、微环16、微盘17以及微柱腔18等。在这些微腔中，光在其内表面发生全反射，当形成环形回路并满足干涉条件时(即 nL=m，其中 n 为微腔的有效折射率，L 为光在微腔内传播一周的长度，m 为正整数，为发生谐振的波长)，光会在满足干涉条件的波长处形成谐振模式。通常在旋转对称的回音壁微腔中，由于微腔尺寸远大于光波长，并且缺少选模元件，会产生多纵模和多横模激光辐射19，并且辐射的方向性较差，其多模性与多方向性在一定程度上限制了它的应用。单模 WGM 激光器因具有窄谱线宽度，良好的单色性，优异的稳定性和更高的光束质量等优点，广泛应用于片上光通信20、光电集成2125、显微分光光度计、超灵敏生物传感器26,27等前沿科学技术领域，控制激光器中的单模辐射一直是激光科学与工程领域的极具挑战性的课题。为获得单模 WGM，常用的选模方法包括短腔法、在腔内加入周期性散射元件、利用谐振腔的游标效应等。随着科技的发展，科学家们不断探索新方法和创新结构，为 WGM 微腔激光器带来了新的活力。为更充分地了解 WGM 激光器模式调控的研究进展，本文首先对几类典型的 WGM 模式调控方法进行了简单的梳理，依次对减小腔体尺寸、外加选模结构、基于游标效应的微腔耦合等方法进行文献追踪；然后探究了一些超越传统获得单模激光的新方法，包括宇称时间对称性破缺、变形微腔；最后对 WGM 激光器的发展做出总结，文章编号：1000-0542(2023)04-0117-14117118刘硕等：回音壁激光的单模式调控方法研究进展并对未来 WGM 单模激光的发展趋势进行了展望，希望对研究者在 WGM 模式调控方面的探索提供参考。II.WGM 激光单模调控方法A.基于腔体尺寸的单模调控基于腔体尺寸的单模调控减小 WGM 微腔的尺寸可以增加其自由光谱范围(Free Spectral Range,简称 FSR)，从而实现单模激光。FSR 是指谐振腔中相邻两个谐振峰之间波长的差值，其数学表达式为：FSR()=22Rn(1)其中，为光波长，R 为 WGM 谐振腔的半径，n 是谐振腔内介质的折射率。从式中可以看出 FSR 与谐振腔的大小成反比，缩小 WGM 谐振腔的尺寸增加 FSR，从而减少共振模式数。通过适当控制 WGM 谐振腔的尺寸，减小微腔尺寸到几微米，增大自由光谱范围，当只有一个模式落在增益谱线中时，可能获得放大形成单模激光，这已经被报道的实验数据所证明15。2012 年，新加坡南洋理工大学的孙汉东教授课题组28研究了不同腔尺寸的混合微半球腔的激光特性，在直径为 15 m 的微球腔中获得了可调谐单模激光；2013 年，该课题组29系统地研究了聚合物微纤维中WGM 的激光特性与微腔尺寸的关系，发现当微柱直径减小时，激光模式的数量随着 FSR 的增加而减少，理论上可以获得单模激光，通过实验也确实在 564 nm 处观察到谱线宽度窄至 0.085 nm 的单模激光；同年 3 月，该课题组15提出了一种机械调谐由不同尺寸的聚合物液滴形成的微谐振腔的独特方法，在液滴直径为 14 m时，通过改变染料种类获得可调波长的单模 WGM(如图 1(a)。2016 年，哈尔滨工程大学的李寒阳教授团队30报道了采用火焰加热锥形拉伸技术制备了不混溶水环境的染料掺杂胆甾相液晶微滴，将微滴悬浮在低折射率水溶液中，二者之间较高的折射率差产生了 WGM共振，同时在胆甾相液晶微滴中发生全内反射实现激光发射。实验结果表明，随着尺寸的减小，多模激光向少模演变，且逐渐蓝移，实现了 593-640 nm 的模式调控，如图 1(b)所示。2015 年，东南大学徐春祥教授课题组31采用气相传输法制备了不同直径的 ZnO 微米棒，基于 ZnO微腔全内壁反射，在紫外波长处实现了低阈值的单模激光。此外，在微棒上覆盖单层石墨烯组成复合微腔，有效地限制了光场，显著提高了单模激光的性能。2022 年，南京航空航天大学施大宁教授课题组21提出了一种由银纳米线覆盖的六边形截面 Ga 掺杂 ZnO 微棒组成的WGM 微腔，在紫外波长处获得了单模激光。研究员系统地研究了 WGM 激光从多模到单模的模式结构演化，如图 1(c)所示。与裸 Ga 掺杂 ZnO 微腔相比，银纳米线覆盖的微腔对光的限制和定位明显增强，六边形截面内壁的全反射增强，微腔激射阈值显著降低，品质因子大大提高。2015 年，首都师范大学廖清教授团队32采用一步溶液自组装的方法合成了不同尺寸的 CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶方形微盘。经实验得，在室温、400 nm 泵浦光条件下，获得了单模 WGM 激光，并通过调谐钙钛矿分子中 Cl 元素和 Br 元素的比例，实现了激光波长从 525nm 到 557 nm 的可连续调谐。2017 年，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员张龙领衔的研究小组33利用双源化学气相沉积的方法，成功制备了可调尺寸的全无机 CsPbX3钙钛矿微球谐振腔，并且实现了高品质的单模激光发射。此外，研究者通过调节卤素配比首次实现了全可见光谱的单模激光可控输出。2018 年，该研究小组34采用类似的方法，将无机 CsPbBr3钙钛矿做成可调谐尺寸(0.6-1.5 m)的亚微米球。室温下利用 800nm 飞秒光激发时，实现了激光阈值为 203.7 J/cm2，半峰全宽为 0.037 nm，品质因子高达 1.5 104的单模激光发射，激光性能远高于之前自然形成的微纳结构光学微腔。尽管通过改变微腔尺寸可以实现激光模式的调控，能够获得单模激光，但是这种方法有一定的局限性，减小了往返光程的增益，Q 因子会随着尺寸的减小而降低，光损耗会增加，其激光阈值也往往较高35，如何兼顾单模和低阈值是走向实际应用的关键。此外，将减小腔体尺寸与表面等离子体共振相结合，能够进一步优化单模激光的阈值和品质因子。B.基于外加选模结构的模式调控基于外加选模结构的模式调控在回音壁微腔的基础上外加选模结构也可以实现模式调控，这种方法具有窄线宽、易于集成的优点。回音壁激光通常具有多个模式，通过外加选模结构可以选择性地加强所需模式，从而实现单模激光出射。目前已成功在外刻光栅选模结构、分布式反馈(Distributed Feed-Back DFB)结构的 WGM 微腔中实现了单模激光输出。2005 年，Savchenkov 等人36设计了金刚石棱镜模式阻尼器，该阻尼器能够显著降低 WGM 微腔的频谱密度，抑制 WGM 微腔中不需要的横向模式,WGM微腔如图 2(a)所示，从而实现了 WGM 激光从多模到刘硕等：回音壁激光的单模式调控方法研究进展119图 1.尺寸相关的 WGM 激光特性。(a)当直径为 14 m 时，获得三个分离波长的单纵模激光15；(b)随着直径的增大，染料掺杂胆甾相液晶微滴的激光发射光谱图以及对应的微滴显微镜图像30；(c)直径为 7.34 m 至 1.34 m 的单个 ZnO:Ga 线的SEM 图像、激光光谱、电场强度分布图21。单模的发射。2016 年，南京邮电大学王瑾教授课题组37报道了一种利用浸涂法在 SiO2微球表面镀高折射率介质膜层的新型 WGM 杂化微球，如图 2(b)所示，获得了窄带宽、高品质因子和高边模抑制比的单模激光。如图 2(c)，2018 年南京邮电大学朱刚毅教授课题组38在侧壁粗糙的 GaN 微盘腔中获得了紫外单模激光，这是由于微腔粗糙的侧壁有类似光栅选模的作用，获得了高Q 值和低阈值的单模 WGM 激光。2021 年，Zhu 等人39报道了第一个电驱动量子点微环(QDMR)单模激光器，如图 2(d)。利用量子点作为增益介质和深度蚀刻的具有周期性的外围方位光栅作为选模结构，实现了具有精确光谱控制和优良单模稳定性的电泵浦微环激光器，并且获得 49 dB 的高边模抑制比。2018 年，中国科学院大学赵永生课题组40在钙钛矿微线与有机微盘组成的切向耦合腔系统中也实现了单模激光发射，耦合腔系统如图 2(e)所示，这是由于在微盘的谐振模式处引入额外的损耗，导致相应的激光模式的抑制，当除一种激光模式外的所有激光模式都被抑制时，实现了单模激光出射。2021 年，南开大学高峰教授团队41基于锥形光纤耦合 WGM 系统中的偏振转换制备了单纵模窄线宽环形激光器。此系统利用光纤布拉格光栅(FBG)进行谐振模式的选择，实现了线宽约为 6kHz 的单纵模发射，波长调谐范围可以从 1 540.10nm 到 1 570.01 nm。2018 年，复旦大学梅永丰教授课题组42使用应变工程和剥离技术制成了自卷曲金刚石介孔结构纳米微腔，如图 2(f)所示。该微腔由于具有离散旋转对称性，能够实现分布式反馈来选择所需 WGM 模式，从而获得独特且增强的单模激光辐射。2021 年，该课题组43采用激光直写技术制造了网状结构管状微腔，通过将 WGM谐振与分布式反馈效应相结合，实现了宽谱线范围可调谐单模谐振。此外，实验证明调整孔阵列的几何参数可以系统、精确地调谐单模。虽然利用外加选模结构可有效调控回音壁微腔获得单模式输出，但是在微米尺寸的微腔中制备选模结构需要精确的参数设计和精密复杂的微加工技术。C.基于游标效应的模式调控基于游标效应的模式调控在不降低 Q 因子且不增加阈值的情况下，另一种选模方式是使用耦合回音壁微腔，通过游标效应(VernierEffect)产生单模发射44。两个尺寸略有不同的微腔相120刘硕等：回音壁激光的单模式调控方法研究进展图 2.外加选模结构的回音壁微腔。(a)带有金刚石棱镜的 WGM 微腔36；(b)WGM 杂化微球示意图37；(c)浮动 GaN 微盘的侧视图及侧壁的放大图38；(d)深 ICP 蚀刻后外半径为 15m 的微环腔的 SEM 图像39；(e)耦合微观结构的 SEM 图像及间隙区域的放大视图40；(f)金刚石介孔结构微腔42。互耦合,其中一个腔可以被认为是另一个腔共振波长的光谱滤波器，耦合谐振腔可以调制激光光谱，某些共同存在的谐振模式会被增强,而其他模式会得到抑制,这种现象被称为游标效应45。利用游标效应导致谐振模式的 FSR 更大，这使得只有一个模式获得增益，进而能够实现单模激射。利用两个耦合微腔的游标效应，是将两个不同尺寸的微腔耦合在一起，在增益谱线内，当只有一个模式同时满足两个微腔的谐振条件时，可以实现单模激射。2008年 5 月，复旦大学徐雷教授课题组44基于游标效应，在两个非对称耦合微腔激光器中实现了单模定向 WGM激光出射。同年，他们46又制作了环形螺旋耦合微腔激光器，如图 3(a)所示，实现激光阈值仅为 48 J/cm2的单模单向激光发射。2009 年，他们将单模耦合微腔激光器应用于生化超灵敏传感47。2012 年，该课题组48报道了一种耦合光流体环形染料激光器，如图 3(b)，在355 nm 的泵浦光激发下，出现了中心波长为 386.75 nm的单模 WGM 激光，激光阈值为 5.9 J/cm2，边模抑制比为 20 dB。基于 Vernier 效应，耦合光纤激光器也能够实现WGM 单模激射，单根光纤的自由光谱范围很窄，两根光纤耦合的激光器大大增加了自由光谱范围。2011 年，云南大学的普小云教授团队49通过将两条光纤平行结合实现了单模激射，与单根光纤相比，耦合圆柱腔结构的自由光谱范围拓宽了 15 倍以上。2014 年新加坡南洋理工大学的孙汉东教授课题组50制作了耦合光纤激光器，如图 3(c)，实现了谱线宽度窄至 0.09 nm 的高品质因子单模激光。将耦合的光纤放置在布拉格反射镜衬底上，能防止通过衬底的光泄露，降低了激光阈值。耦合光纤激光器虽然能够获得高 Q 因子的单模激光，但是存在模体积较大的问题，2015 年清华大学的孙洪波教授课题组45报道了利用飞秒激光直写技术制备出单模聚合物光子分子耦合微盘。在皮秒激光器的激发下，出现了单模 WGM 激光，并通过实验和仿真证明该结果是 Vernier 效应导致的。2020 年，Mikhail Roiz小组51将两个同样大小的微腔直接连接起来，通过模式的强耦合作用也得到了单模激光。2021 年，华东师范大学程亚教授课题组52采用飞秒激光微加工、化学机械抛光、聚焦离子束铣削和化学湿法蚀刻等一系列技术，在掺铒铌酸锂(LNOI)薄膜上成功制备了高 Q 耦合光子分子微盘激光器。经实验测得，在 970 nm 光泵浦条件下，耦合光子分子微盘激光器实现了低阈值、窄线宽的单模激射。同年，上海交通大学物理与天文学院陈玉萍教授，陈险峰教授课题组53在掺铒铌酸锂上设计了一对耦合微盘和微环，制成了一种集成的可调谐 WGM单模激光器。实验发现，改变微盘和微环之间的耦合间隙宽度，实现了 1 560.6 nm 和 1 565 nm 的单模回音壁激光，这一研究为铌酸锂薄膜片上可集成微腔激光器的研发提供了重要进展。此外，南开大学弱光非线性光子学重点实验室的薄方教授团队54报道了一种具有两个耦合微环的 LNOI 光子分子单模激光器(如图 3(d)，获得了中心波长为 1 531.1 nm 的稳定单模激光出射。与游标效应恰恰相反，耦合后共振的模式受到抑制，而这些重叠模式的抑制也导致了自由光谱范围的增加，刘硕等：回音壁激光的单模式调控方法研究进展121图 3.基于游标效应的回音壁微腔。(a)环形螺旋耦合微腔激光器示意图46；(b)耦合光流体环形染料激光器示意图48；(c)两个非对称光纤耦合示意图50；(d)LNOI 光子分子示意图54；(e)耦合的微环形腔以及与平板腔耦合的微环形腔示意图55；(f)两个耦合 ZnO 微棒示意图58；(g)直径分别为 1.2 m、1.8 m 的 A,B 微球在不同状态时的激光光谱图和对应的光场分布图63。这种现象被称为逆游标效应。纽约市立大学 Li Ge 教授55使用两个耦合的微环腔和一个与平板腔耦合的微环腔来说明逆游标效应，如图 3(e)所示，并讨论了这种效应与耦合激光器中奇异点存在的关系。哈工大的宋清海教授课题组56报道了基于光刻法制造的尺寸不匹配的耦合微盘，基于逆游标效应，在其中一个微盘腔中成功实现了中心波长为 657.45 nm 的单模激光发射。北京工业大学的翟天瑞教授团队57设计出一种二维和三维复合的耦合腔，该耦合腔结构由聚合物光纤和聚苯乙烯微球组成，通过泵浦控制实现了低阈值、可调谐的 RGB单模激光器。该成果在纳米光子器件和片上通信的设计方面具有重大意义。东南大学徐春祥课题组58报道了采用气相传输法制造的六边形截面的 ZnO 梳状结构微棒，如图 3(f)所示。通过调节耦合微棒的纳米尺度间距，成功地获得了稳定的单模激光输出，且该激光具有高品质因子、高边模抑制比、低阈值的特性。此外，该课题组59利用 ZnO微腔与 Pt 纳米粒子之间的表面等离子体共振耦合，进一步优化了紫外单模激光的性能。2021 年，他们60又制备了 ZnO 微球和微棒组合的耦合腔，通过微探针精确控制微棒与微球的位置，成功在耦合腔中对激光模式进行选择性输出，并最终实现单模激射与灵活的模式调控。2018 年，华南理工大学研究员甘久林等人61采用激光热成型技术制备了 Er3+/Yb3+共掺杂玻璃活性微球，在直径分别为 32.7 m 和 49.27 m 微球组成的复合微球中，观察到了低阈值及高边模抑制比的单模 WGM激射。这种单模复合微球激光器在生物传感和纳米处理器等领域具有广阔的应用前景。2019 年，Saffari 等人62报道了一种由 11.5 m 未掺杂微球和 50 m 掺铥碲化物玻璃微球耦合的单模激光器。2020 年，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员张龙、董红星领衔的研究团队63在耦合 CsPbBr3钙钛矿微球腔中获得了低阈值、稳定的线性偏振单模激光。双球微腔间距减小到约30 nm 时，发生光场相互作用，两个腔中的激光模式相互重叠并同时共振，激光模式得到增强，在约 531 nm处获得单模激射，如图 3(g)所示。此外，基于游标效应，成功的将金属卤化物钙钛矿微球的偏振度从约 0.2提高到 0.78。2022 年，孙汉东教授课题组64采用直接滴注方法制备了胶体核/混合壳纳米片回音壁激光器(NPLs-WGM)，并利用游标效应将两个孤立的 NPLs-WGM 微球耦合，首次在含有胶体量子阱半导体材料的耦合系统中实现了低激光阈值单模操作。仿真上，电子科技大学张志红教授课题组65使用时域有限差分法设122刘硕等：回音壁激光的单模式调控方法研究进展计了两个耦合微球和波导直接连接的谐振腔。在耦合微球中出现了共振模式重叠，在 10.5 m 微球腔的内部，这种共振模式被加强，而不同时满足两个微球腔共振条件的其他模式被抑制。此外，当波导连接到耦合微腔弱场时，形成稳定的四边形几何共振模式，从而实现 Q 更高的稳定单模激光发射。2020 年，赵永生教授课题组66将三个非均匀有机球形微腔耦合，实现了在全可见光谱上发射的可调谐单模激光。在这种非均匀耦合系统中，每个单独的微球既充当激光源，又是其他谐振腔的调制器，使得每个微球腔都能发出单模激光。2022 年，北京师范大学的呼凤琴课题组67基于喷墨打印技术制作了有机异质耦合谐振腔体系，并在该体系中实现了可切换的单模激光。他们用三种激光染料作为增益介质，进一步得到了可控的蓝色、绿色和红色单模激光，由此促进了异质耦合结构可调谐单模激光器的发展。基于游标效应利用不同半径的多个谐振腔耦合，可以提高谐振模式的 FSR，从而实现单模发射，通过改变耦合腔的尺寸和他们之间的距离可以对光谱进行调控。但仍存在微腔耦合依赖于复杂的制造技术和较高的成本的问题。D.基于宇称时间对称性破缺的模式调控基于宇称时间对称性破缺的模式调控如前所述，利用腔体尺寸控制、外加选模结构、游标效应等诸多方式可实现对 WGM 微腔的激光模式的有效调控，并获得单模激光输出。近年来研究者们开拓了新的研究，由于 WGM 光学微腔本身的非厄米共轭特性和强烈的模式间相互作用，微腔激光器已经展现出了很多超越传统经典激光理论的新的物理现象。科学家们提出利用宇称时间对称性破缺(Parity-Time SymmetryBreaking)的方法来实现单模 WGM 辐射。这种方法是通过调制介质的增益或损耗，使得只有某一模式处于对称性破缺的条件可获得放大形成单模激光。当 PT 对称系统发生破缺时，主模和边模之间的增益差异明显增加，为单模振荡提供了可能性。2014 年，加州大学伯克利分校的 Feng Liang 等人14采用叠加电子束光刻和等离子体蚀刻技术，制作了增益介质与损耗介质周期性分布的微环激光器，如图 4(a)，实现了稳定的单模 WGM，这一开创性的工作发表在 Science 上，这对于新一代光电子与光器件的开发有重要的指导意义。中佛罗里达大学的 MercedehKhajavikhan 教授课题组在这方面也做了大量的工作。2014 年，该课题组68使用电子束光刻技术成功制造了基于磷化铟镓砷化物量子阱的有源环形微腔。他们利用光泵浦耦合的增益微环与损耗微环，实现了基于宇称时间对称性破缺的单模激光，原理如图 4(b)。研究表明，通过利用宇称时间对称性的概念，在耦合微环激光器系统中可以很容易地实现稳定的单纵模操作。2015 年，他们利用相似的结构系统地研究了 PT 对称耦合微环腔在奇异点附近的行为，在多模微环谐振腔中实现了稳定的单模激光69。随后，他们又证明了 PT 对称性也可以在横向多模耦合腔中实现单模激光70。2019 年，他们采用一系列标准的纳米制造技术包括化学反应离子蚀刻、化学气相沉积，首次成功制备电泵浦的 PT 对称单模微型片上微环激光器71。此外，Liu 等人4提出了一种电泵浦 PT 对称微环激光器，该激光器具有精确的模式控制，能够实现波长可调谐的单模激光，而且拥有高边模抑制比。研究者通过精确操纵两个微环腔中增益和损耗之间的相互作用实现 PT 对称条件，在 1 554.148 nm 处实现了单模激光发射，边模抑制比超过 36 dB，通过改变相位调制器的注入电流实现激光波长为 0.22 nm 的可调谐范围。2016 年，复旦大学的吴翔教授课题组72报道了基于 Vernier 效应和 PT 对称性破缺相结合的方法，在两个不同尺寸的非对称耦合微盘系统中实现了单模激光出射。研究者通过实施不同的选择性泵浦方案，如图 4(c)所示，实现了双波长单频操作。2019 年，该课题组73制备了光流体耦合微盘激光器，它由固态染料掺杂聚合物微盘与微流体通道组成，首次理论和实验研究了微盘激光器在水介质中的机理和特性。水介质能够降低腔和背景介质之间的折射率差，从而消除了腔表面反射角较大的一些高阶 WGM。当水介质中耦合微盘的间隙为 0.5m，泵浦激光器的位置为左泵浦时，实现了中心波长为 594.39 nm 的单模激射。与之前需要复杂精密的工艺制备的耦合微腔相比，光流体耦合微腔的制备方法较为简单，更容易实现高精度，被赋予了液体的环境，也为调谐单模激光增加了新的方法。2020 年，暨南大学光子技术研究院的姚建平院士课题组74构建了一个光波长空间的宇称时间对称光电振荡器，如图 4(d)，实现了单个纵向模式振荡。2022 年，哈工大的宋清海教授课题组75将反向设计的纳米晶体与两个尺寸不匹配的耦合微腔集成，在非对称泵浦和外部激励的调制下实现了可切换的单向单模激光。E.通过变形微腔实现模式调控与定向发射通过变形微腔实现模式调控与定向发射除了通过对微腔进行精密的加工与耦合来获得单模 WGM 激光，值得关注的是，最近几年，具有非圆对称边界的光学微腔，即变形微腔，已经成为 WGM 微刘硕等：回音壁激光的单模式调控方法研究进展123图 4.宇称时间对称性破缺的回音壁微腔。(a)PT 微环激光器的设计示意图14；(b)PT 对称微环激光器的模式抑制原理图68；(c)选择性泵浦非对称耦合微盘示意图72；(d)在波长参数空间中提出的 PT 对称系统74。腔获取单模调控的重要研究领域。变形微腔包括特殊形状微腔和非对称微腔，此类微腔打破了圆形回音壁微腔的对称性，使得微腔具有明显的方向性，同时可以获得单模激光发射，下面分别介绍基于特殊形状微腔和非对称微腔的模式调控。1.特殊形状微腔很多研究小组尝试在特殊形状的微腔中获得稳定的单模激光辐射。特殊形状微腔中的波混沌会影响激光模式之间的竞争，并导致单模激光发射76,77。中科院半导体研究所的黄永箴研究员课题组在特殊形状微腔方面做了大量的研究，设计的回音壁模式谐振腔有 D型、圆边方形、圆边六边形、双圆边八边形。2012 年，该课题组设计了 D 型微腔78，如图 5(a)，在引入平坦侧边后，D 型微腔抑制了圆形微腔的高阶模式，实现了单模发射。此后，他们又在 D 型微腔中实现了高 Q 模式的定向发射79。圆弧代替平边可以保持小尺寸等边多边形微腔的超高模式 Q 因子，因此他们设计了圆边方形80,81和圆边六边形82微腔,实现了高性能单模激光发射。在圆边方形微腔(图 5(b)中实现了稳定的双模激光，在圆边六边形微腔(CSHR)中实现了低阈值且稳定的方向性单模激光辐射。为了提高模式 Q 因子并同时抑制高阶横模，该课题组在圆边六边形微腔的中心引入圆孔来对微腔进行优化实现了优异的单模激射83。此外，他们在设计的双圆边八边形微腔中实现了稳定的单模激光发射84,该激光器在光子集成电路的紧凑型光源方面具有巨大的潜力。相似地，早稻田大学原山卓久教授课题组85分别在仿真计算、实验上实现了完全混沌腔中的单模激光。如图 5(c)所示，以跑道型微腔为例，在该微腔中，由于模式的空间分布交叠加强，造成了模式间相互作用加强。由于增益饱和的作用，使得某一个模式加强的同时抑制了其他的模式，形成单模激光。2018 年，Chil-Min Kim教授团队86在圆边 D 型微腔中实现了位于 7 周期不稳定周期轨道上的激光模式群的单向发射。2020 年，朱刚毅教授课题组87在浮动 GaN 烟囱型微腔(图 5(d)中实现了高 Q 值的单模紫外回音壁激光。微烟囱腔的光被分成两部分：一个光波在倾斜侧壁的微烟囱腔中传播。因为侧壁不是垂直的，所以光螺旋向下传播。另一个光波被限制在微烟囱的一定高度，并且形成闭环，最终产生受激发射。此外，上海理工大学谷付星教授课题组利用瓶状微腔的独特特点，分别使用光纤拉锥耦合调制19、空间泵124刘硕等：回音壁激光的单模式调控方法研究进展图 5.回音壁模式特殊形状微腔。(a)平面 D 型微腔78；(b)圆边方形微腔81；(c)跑道型微腔85；(d)烟囱型微腔87；(e)分别使用光纤拉锥耦合、空间泵浦光、微光纤探针损耗调制的瓶状微腔19,88,89。浦光调制88、微光纤探针损耗调制89的方法获得了单模 WGM 激射，如图 5(e)。在瓶状微腔中，高度非退化的 WGM 沿长轴方向在空间上被很好地分离，可以选择性的激发所需模式，并实现单模激光发射。2.非对称微腔除了特殊形状的微腔，很多研究小组在非对称微腔中获得方向性的输出，甚至实现单模 WGM 辐射9092。中国科学技术大学量子信息实验室的微腔实验小组以及北京大学的肖云峰教授团队，都在非对称微腔中实现了方向性较好的低阈值激光辐射9395。2018 年，肖云峰教授团队95首次在变形的混沌 LN 微腔中实现了高Q 因子的定向发射模式。在微盘中引入缺陷可以打破旋转对称性进而实现模式选择。清华大学孙洪波教授课题组90利用飞秒激光直写的方法制备了微盘腔，并在特定位置制备微孔，如图 6(a)，得到了方向性输出的单模激光。剑桥大学卡文迪许实验室 Cleavera 教授96研究了微孔对微腔中模式的空间分布的扰乱作用，这种扰乱会抑制非激光模式的形成，促进形成高 Q 值的单模激光。朱刚毅教授课题组97制作了具有垂直狭缝的 GaN 微盘，如图 6(b)，实验结果表明狭缝能够改变微腔中的光路而不会破坏激光共振。微盘中的狭缝会影响激光的模式选择和定向发射。上海交通大学物理与天文学院陈险峰教授课题组91通过聚焦离子束直写的方法制备了微盘腔，并在微盘表面的特定位置制备了特定尺寸的纳米狭缝，进而实现了灵活的模式选择。此外，方家熊院士课题组通过仿真模拟，在带有缺陷的椭圆形98、卵圆形微腔99中实现了 WGM 定向发射。回音壁模式通常形成在微盘腔外围，微盘的内部由于腔材料的吸收会导致能量损失，相比之下，微环结构具有更少的模式和更低的阈值，然而由于传统微环结构的旋转对称性，激光发射仍然是各向同性的，因此制作非对称微环来打破旋转对称性是一种获得单模激光的可行方法。西安交通大学云峰教授团队先后对 GaN 基偏心微环100和带有偏心孔的翘曲微环92进行研究，调整偏心孔的位置和尺寸实现了单向激光发射，也通过模式选择实现了低阈值的单模回音壁激光。如图 6(c)以带有偏心孔的翘曲微环为例，微腔的翘曲结构和偏心孔引起的模式选择和高阶模式抑制为实现单模激光提供了可能。研究者对比有无偏心孔的翘曲微环，发现有偏心孔的微腔在保持高 Q 因子的情况下还降低了阈值。此外，仿真发现该微腔具有三维定向光发射的特性，基于此在集成光子学的多功能相干光源中具有广阔的应用前景。本课题组101,102提出了一种获得单模激光的新方法，将一根直径为 125 m 的石英裸光纤作为微柱腔，放入作为增益介质的罗丹明 6G 乙醇溶液中，采用 532nm 的 Nd-YAG 纳秒脉冲激光作为泵浦源，成功获得了倏逝波耦合增益的边模抑制比高、低阈值的单模 WGM激光。实验发现单模 WGM 的形成和微腔与比色皿的接触及外层溶液折射率有关。这种微腔结构将增益介质与微腔分离开，同增益介质与微腔合二为一的结构相比，其中的激光波长随泵浦光强的增加更加稳定，并且其 Q刘硕等：回音壁激光的单模式调控方法研究进展125图 6.回音壁模式非对称微腔。(a)带有微孔的微盘的 SEM 图像90；(b)具有狭缝的浮动 GaN 微盘的 SEM 图像97；(c)40m 翘曲微环的 SEM 图像92。值不易受电致伸缩的影响。综上研究表明，研究者设计了许多新颖的回音壁微腔结构，微腔在对称性破坏的情况下也可形成高 Q 值的激光模式甚至是单模激光，但是其调控机制还有待于进一步研究。III.总结和展望WGM 激光器在多个实际应用领域中有广泛的应用前景，包括光通信和生物化学等方面。相较于传统WGM 激光器，单模 WGM 激光器具有许多优势，如窄线宽、良好的单色性和高稳定性。因此，有效控制 WGM微腔激光模式以实现单模发射是长期研究的一个重要方向。本综述介绍了多种支持单模激光发射的方法，包括减小微腔尺寸、外加选模结构以及基于游标效应的传统方法。此外，还介绍了基于多种物理效应及有效手段的宇称时间对称性破缺、变形微腔等方法。通过引入宇称时间对称性破缺这种新的物理效应，可以更好地限制光场并提高微腔增益，从而降低激光阈值。利用变形微腔打破传统回音壁微腔的对称性，进而实现单模激射。另外，引入胶体量子点与微腔高效耦合，可以实现高品质的单模激光输出；将增益介质与微腔分离的方法简化了制作工艺，为未来追求更低阈值、更高品质的稳定单模激光器提供了更多理论基础和参考价值。尽管 WGM 微腔激光模式调控方面的研究工作正不断取得进展，但在走向实际应用前，就如何实现系统设计的简单性，制作工艺的便捷性，激光模式调控的灵活性、可控性等方面仍面临一些挑战。因此，我们应该从实际应用的角度出发，不断完善现有的机制，在各个角度验证新的理论，并不断探索新的方法。未来，科学家们将继续深入研究 WGM 激光器的结构、材料等方面，以满足不同应用领域对光源的需求。未来的科学研究会考虑将不同的方法结合使用，利用各种方法的优势，来设计出新的调控方案。例如结合减小腔体尺寸和表面等离子体共振的方法来获得更好的选模效果；融合游标效应和宇称时间对称性破缺来提高单模性能；采用水介质中调节耦合微盘的方法来实现更加灵活的模式调节。此外，科研人员也会探索不同形状和材料的应用。相信在不断的探索中，单模激光器的性能将实现不断的优化。致谢感谢国家自然科学基金项目(62074079)、山东省自然科学基金项目(ZR2022ME182)的资助。参考文献1 LI H,HAO X,LI Y,et al.Photothermal control ofwhispering gallery mode lasing in polymer-coated sil-ica microcavity using high-efficiency nanoheaterJ.J.Mater.Sci.,2021,56:570.2 YANG X,GONG C,ZHANG C,et al.Fiber optoflu-idic microlasers:structures,characteristics,andapplicationsJ.Laser Photonics 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