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专家视点
微结构以增益、非线性、内部散射和边界效应为特征，为探索随机激光、混沌和多维散斑等复杂光学现象提供了一个特殊的平台。具体而言，在微腔和光纤中产生的复杂激光，在其中强光约束和散射发挥着不同的作用，已成为激光研究的一个重要分支。最近，材料、微纳技术和人工智能的快速发展为复杂激光器的产生、控制和应用带来了新的机遇和挑战。在此，天津航海仪器研究所、电子科技大学和深圳大学的研究人员（天津市量子精密测量重点实验室朱洪杨博士和电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室博士研究生何真为共同第一作者，电子科技大学的张伟利教授和深圳大学高等研究院的马瑞副研究员为通信作者）从微腔结构无序度渐增的视角出发，系统地研究了各种类型的微腔复合激光器的产生、调控及前沿应用进展。主要介绍了无序微腔激光器的历史发展、特点、规律和应用，并对微腔复合激光器的未来发展趋势进行了讨论。该成果以“Microcavity complex lasers：from order to disorder”为题，以特邀综述发表于ANNALEN DER PHYSIK上。
复杂无序系统广泛存在于自然和人工介质中，引起了人们的广泛关注，从鸟类和蝉的翅膀生长到肌肉纤维组织中的无序分子碰撞，最后延伸到各种人工制备的系统。英国著名物理学家霍金预言，“21世纪将是复杂系统科学的世纪。”2021年诺贝尔物理学奖授予研究复杂无序系统的科学家乔治·帕里西，以表彰他对自旋玻璃态的研究。有序和随机现象理论对物理学、数学、生物学、神经科学和机器学习等研究领域产生了深远的影响。普遍存在的复杂无序系统可以为实现激光器的新特性和新功能提供广泛的材料。因此，出现了许多复杂的光学现象，如对称性破坏、随机激光、混沌光、神经元样事件等。这些现象会导致不可预测的激光输出和参数混乱。同时，它们还可以引入高效的激光输出特性，产生具有低阈值和定向输出的高质量激光，并为激光控制提供更多的自由度。
激光，即受激辐射光放大，是20世纪人类最重要的发明之一，与原子核能和半导体器件并列，代表了量子理论的一项重大成就。它被称为“最快的刀”、“最准确的尺子”和“最明亮的光”，因为它具有高单色性、高亮度和强指向性的特点。激光腔的传统设计需要精确的对称分布、固定的几何配置和稳定的活性介质。这确保了谐振机制和相关输出参数的稳定性和一致性。然而，它也减少了参数控制的自由度。因此，学术界开始在跨学科领域探索优化的制备方法，旨在使激光器更简单、更高效、低成本、易于调谐。
典型的激光器由三个基本元件组成：泵浦源、放大受激辐射的增益介质和产生光学谐振的腔结构。当激光器的腔尺寸接近微米或亚微米时，它产生了当前学术界的研究热点之一：微腔激光器，它能够在小体积内实现显著的光和材料相互作用，具有广泛的应用前景。将微腔与复杂系统相结合，例如引入不规则或无序的腔边界，或将复杂和无序的工作介质引入微腔，为激光输出增加了更多的自由度，丰富了激光机制的多维调节方法。此外，无序腔的物理不可克隆特性导致了输出的随机性。复杂微腔激光器的输出通常是不可预测的和参数无序的，阻碍了其在传统领域的应用。因此，有必要研究微腔中光与物质的相互作用机制，有效地调制复杂激光器的输出特性，以充分利用这些激光器的独特优势，扩大其应用潜力。图1为微腔复杂激光器的研究体系。
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随机微腔激光器的不同系统
研究人员从不同腔体维度的角度对随机微腔激光器进行分类。这种区分不仅突出了随机微腔激光在不同维度上的独特输出特性，也阐明了随机微腔的尺寸差异在各种调控和应用领域的优势，其中三维固态微腔通常具有较小的模体积，从而实现更强的光物质相互作用。由于其三维封闭结构，光场可以在三个维度上高度局域化，通常具有高品质因子。这些特性使其适用于高精度传感、光子存储、量子信息处理等先进技术领域。
而开放的二维薄膜系统是构建无序平面结构的理想平台，薄膜系统可以作为具有集成增益和散射的二维无序介质平面，积极参与随机激光的生成。“平面波导效应”使激光的耦合和收集更加容易。随着腔体维度进一步降低，将反馈和增益介质集成到一维波导中，可以抑制径向光散射，同时增强轴向光的共振和耦合，这种集成方式最终提高了激光产生和耦合的效率。
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随机微腔激光器的调控特性
传统激光器的多种指标，如相干性、阈值、输出方向和偏振特性等，都是衡量激光器输出性能的关键标准。与具有固定对称腔体的传统激光器相比，随机微腔激光器在参数调控方面提供了更大的灵活性，体现在包括时域、光谱域和空域等多个维度，突显了随机微腔激光的多维可控性。
例如，通过优化泵浦参数、调整散射强度和改变增益介质的发光效率来调节随机激光的阈值。随机激光的输出模式本质上是无序的，表现为低空间相干性（无散斑）和低时间相干性（具有大量纵模），与通常仅有单一输出模式的传统激光器相比，随机激光的低相干性为研究模式调制提供了众多可控自由度。目前，研究人员广泛采用的方法是通过泵浦自适应调整来实现随机激光的定向输出、单一光谱模式及其对应空间模式的选择输出。此外，随机激光的方向性与散射路径密切相关，通过优化微腔载体、优化泵浦形状以及利用外场控制内部介质等方式，可以有效减少随机激光器的全向发射缺陷。
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随机微腔激光器的应用特性
低空间相干性、模式随机性和对环境敏感特性等为随机微腔激光器的应用提供了许多有利因素。随着随机激光的模式控制和方向调控问题的解决，这种独特的光源越来越多地应用于成像、医学诊断、传感、信息通信等领域。作为微纳尺度的无序微腔激光器，随机微腔激光器对环境变化非常敏感，其参数特性可以响应各种监测外部环境的敏感指标，如温度、湿度、pH值、液体浓度、折射率等，为实现高灵敏度的传感应用创造了一个优越的平台。
在成像领域，理想的光源应具有高光谱密度、强定向输出和低空间相干性，以防止干涉散斑效应。研究人员们通过在钙钛矿、生物膜、液晶散射体和细胞组织等载体中均验证了随机激光在无散斑成像中的优势。在医学诊断中，随机微腔激光可以携带来自生物宿主的散射信息，成功应用于检测各种生物组织，为无创医疗诊断提供了便利。
总之，研究人员总结了自然界和人工环境中广泛存在的无序结构中包含的复杂激光现象，定义了微腔复杂激光的概念，梳理了不同类型的微腔复杂激光，并重点介绍了随机微腔激光的发展、调控及应用。未来，对无序微腔结构和复杂激光生成机制的系统分析将变得更加完善。随着材料科学和纳米技术的不断进步，可预期将制造出更加精细和功能化的无序微腔结构，在推动基础研究和实际应用方面具有巨大潜力。
研究人员简介
朱洪杨，2023年于电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室获信息与通信工程博士学位。2023年开始于天津航海仪器研究所（天津市量子精密测量重点实验室）从事惯性原子器件方面的研究。获得博士研究生国家奖学金、电子科技大学学术新秀、荣耀信通年度人物、荣耀学术奖等。以第一作者身份在ACS Photonics、Advanced Materials Technologies、IEEE JSTQE等SCI期刊发表论文8篇，多次受邀在OFC、CLEO、FioLS等国际会议发表论文并作口头报告，2022年入选顶级国际会议OFC的Post Deadline论文（中西部高校首篇）。
张伟利，电子科技大学教授/博导，2008年于西南交通大学获信息与通信工程博士学位，2008.09-2010.09新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院研究员，2010.10-2016.07电子科技大学特聘副教授，2016.09-2017.09哥本哈根大学波尔研究所访问学者，2016.07-今担任电子科技大学教授。教育部创新团队和国家级引智基地骨干成员，四川省科技创新人才、四川省学术技术带头人后备人选、Vebleo国际学会会士、SCI期刊Photonic Sensors编委。从事新型激光器及其先进成像和传感研究工作多年，主持了新加坡科技局项目、国家自然基金、教育部万人计划、四川省国际交流等国家级和省部级课题10余项，主研国家级重大、重点项目2项。发表多篇高水平研究论文，包括8篇影响因子大于8的SCI论文、OFC Post Deadline Paper、ICICN、IEEE最佳论文、IEEE Popular论文，德国经典期刊Annalen der Physik等封面论文2篇。拥有多项自主知识产权，其中中国发明专利授权9项、美国发明专利授权1项，合著出版专著1部。成果被中国科学头版、学术网站Highbean Research、搜狐网、光明网等亮点报道，被中国、美国、俄罗斯、巴西等多个院士团队发表的顶级期刊综述论文多篇、大篇幅正面评价和引用，他引2000余次，H指数32。
E-mail: wl_zhang@uestc.edu.cn
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