通过光子晶体实现手性激光发射

手性激光能精准地只激发或输出某一种特定的振动模式并抑制其他不需要的模式，相比普通激光更“专一”“精准”，在量子光学、生物传感、光通信等领域应用前景广阔。 .s%dP.P:i1
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中国科学院半导体研究所郑婉华院士团队等，创新性提出一种通过光子晶体实现手性激光发射的路径，为构造实用的芯片级手性激光器提供新方案。 Ge ?Q)N
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双重挑战 Y'Yu1mH)
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当人们谈论激光时，脑海中往往浮现出一束笔直向前的光束，比如超市扫码枪或激光笔发出的光。 I_is3y0
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其实，激光不仅能直线传播，还能像陀螺一样 “左旋”“右旋”，这种特性与分子或物体的手性（如左手与右手的镜像对称性）类似。在制药、生物检测、量子技术等需要区分左旋/右旋、左手性/右手性的应用场景中，手性激光比普通激光更“懂行”，也更好用。 w"q^8"j!
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手性激光的核心是让激光光束携带明确且单一的手性（如左旋涡旋或右旋涡旋），但光的手性容易受对称性影响而失去专一性，且手性模式对温度变化、材料缺陷等环境扰动极为敏感。 N=j$~,yG
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抑制非手性模式而过度设计复杂结构，可能导致激光效率大幅下降、无法实用。因此，如何实现手性激光的高效激发与稳定调控，同时满足集成化、实用化需求，是科学研究的一大挑战。 [tkP2%1
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集体共振赋能手性激光发射 wPvYnhr|G-
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研究团队提出的手性激光发射新路径主要分两步，首先是设计一种圆形边界的有源光子晶体，利用其边界散射效应使原本离散的光子晶体模式形成集体振荡。 -/R?D1kOq
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集体振荡，即多个独立谐振体在相互作用下共同形成整体振荡，且整体谐振特性与单个谐振体存在显著差异的现象。比如，当你逐一敲响一排编钟时，每个钟都有自己的音调，但当它们同时振动时，却会产生一种全新的和声。 `V{'GF&[
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集体振荡通常是用实空间中相互作用的谐振体系来构造。在圆形边界散射效应作用下，原本独立传播的多个光子晶体导模发生各向同性耦合，进而在动量空间形成了二重简并的集体振荡，使得光束高度集中、传输效率大幅提升。 \{54mM~
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集体振荡原理

给激光发射装上“方向盘”

集体振荡的实现只是第一步，让激光“左旋”还是“右旋”？关键在于打破对称。

研究团队巧妙地使用了“非对称泵浦”技术。简单说，就是从晶体的不同位置注入能量，就像给两个旋转方向相反的陀螺施加不等的推力，让其中一个占据主导，进而成功实现了单一手性的激光发射。

为证明实现激光的单一手性，研究团队进行了实验验证：让激光自己和自己“干涉”。就像水波相遇会形成明暗条纹一样，手性激光的自干涉会产生独特的“叉形条纹”。左旋和右旋激光的条纹叉口方向相反，清晰地显示了它们的旋转特性。更神奇的是，这种激光的中心强度为零，形成一个 “相位奇点”——就像漩涡的中心，所有的能量都绕着这个点旋转。

传统的涡旋激光设备往往体积庞大、结构复杂，手性激光器不仅结构更紧凑、集成度更高，还能在光的“手性”维度上提供新的调控自由度。

这项研究向我们展示了微观世界的精妙控制艺术，为构造实用化的芯片级涡旋激光器提供了新思路，有望为量子/光子计算、传感、微操控和手性鉴别提供高质量光源。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01964-7

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