来自华沙大学、军事科技大学和南安普顿大学的科学家们展示了一种新型可调谐微激光，它能发射两束光。“这些光束是圆偏振的，并且指向不同的角度。”华沙大学物理系的Jacek Szczytko教授说。这一成就是通过在微腔表面创建所谓的持续自旋螺旋获得的。研究结果发表在《物理评论应用》（Physical Review Applied）杂志上。

两束可调谐微激光，光束是圆偏振的，并 指向不同的角度。

为了达到这一效果，科学家们在光学微腔中填充了掺有有机激光染料的液晶。这种微腔由两个完美的镜子组成，它们彼此靠近，距离为2~3μm，这样就可以在腔内形成一个固定的电磁波。镜子之间的空间填充了一种特殊的光学介质-液晶，它是另外用一种特殊的镜子涂层组织起来的。

“液晶的特征是它们细长的分子，打个比方说，它们梳在镜子的表面，可以在外部电场的影响下站立，也会转动填充空腔的其他分子。”来自华沙大学物理系的第一作者Marcin Muszynski说。

当传播波的电场沿着分子振荡时，当振荡垂直于分子时，腔内的光以不同的方式与分子相互作用。液晶是一种双折射介质，具有两种折射率，这取决于电场振荡的方向(即所谓的电磁波极化)。

在军事科技大学获得的激光微腔内分子的精确排列，导致了腔内出现两种线偏振光模式。电场改变了光腔内分子的方向，从而改变了液晶层的有效折射率。因此，它控制所谓的光路的长度——光腔宽度和折射率的乘积，而折射率是发射光的能量(颜色)所依赖的。其中一种模态的能量不随分子旋转而改变，而另一种模态的能量则随分子方向的改变而增加。

通过对放置在液晶分子之间的有机染料进行光刺激，获得了具有严格定义能量的相干光辐射的激光效应。液晶分子的逐渐旋转导致了这种激光的意想不到的特性。激光实现了这种可调模式:激光发射一个垂直于反射镜表面的线偏振光束。液晶的使用使得光的波长随着电场的变化可以平滑地调整多达40nm。

“然而，当我们旋转液晶分子，使对分子取向敏感的模式和不改变其能量的模式的能量重叠时（也就是说，它们处于共振状态）从空腔发出的光突然改变了它的偏振从线性到两个圆形：右和左手，两个圆极性在不同的方向上传播，以若干度的角度。”华沙大学物理系的Jacek Szczytko教授说。

“激光的相位相干性以一种有趣的方式得到了证实。所谓的持续-自旋螺旋条纹模式，具有不同的光偏振，间隔3μm，出现在样品的表面。理论计算表明，当两束相对偏振光相参且两种光模不可分时，可以形成这样的图案——这种现象可以与量子纠缠相比较。”Marcin Muszynski解释说。

到目前为止，由于所使用的有机染料在强光的影响下缓慢光降解，激光器以脉冲方式工作。科学家们希望用更耐用的聚合物或无机材料（如钙钛矿）取代有机发射体，可以延长寿命。

“获得的精确可调谐激光器可用于物理、化学、医学和通信的许多领域。我们利用非线性现象创建一个完全光学的神经形态网络。这种新的光子结构可以提供一个强大的机器学习工具，用于解决复杂的分类和推理问题，并以更快的速度和更高的速度处理大量信息能源效率。”华盛顿大学物理学院的 Barbara Pietka教授补充道。

相关链接：https://phys.org/news/2022-03-physicists-microlaser-emitting-circular.html

参考资料：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