北京大学物理学院肖云峰、曹启韬等揭示微腔激光态切换的时间标度律

近日，北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理全国重点实验室肖云峰教授、曹启韬副研究员等人在超高品质因子光学微腔激光系统中首次实验解析了激光态切换的临界动力学：当外部控制参数以不同速率扫过临界点时，激光从一支近简并的驻波超模态切换到另一支所需的转变时间，遵循普适的平方根幂律标度关系。该结果为微腔激光器的高速可重构控制提供了可对标的时间标尺，也为非平衡驱动-耗散光子系统的临界动力学研究提供了实验依据。

光学微腔具有超高的品质因子与丰富的非线性/非厄米效应，是研究激光动力学与实现可重构光源的重要平台。微腔中常见的模式竞争会导致激光在多个近简并态之间跃迁。以往人们更多聚焦于激光态切换先后的稳态特性，而难以直接“看见”切换过程如何发生、需要多长时间等临界行为（图1）。另一方面，在激光态切换的临近动力学也是可重构光子芯片、耦合腔激光网络和新型信息处理等需求的重要物理基础。然而，在临界条件附近，上述过程短暂且对噪声敏感，使得长期以来“切换过程本身”难以被直接捕捉与定量刻画。

图1 光学微腔近简并模式间的激光态切换过程示意图，对应模式内布居光子数动态变化

为此，研究团队以品质因子超过6×10⁷的回音壁微腔产生的拉曼激光为研究体系，构建了“非厄米干涉耦合+射频拍频探测”的实验方案：通过自注入反馈回路连续调控注入相位，从而改变回注光与腔内光场的干涉状态，实现对系统增益与损耗平衡的连续调节。借助这一“可编程控制旋钮”，研究者可以以设定的速率跨越临界点，反复触发并对比不同扫描条件下的切换过程。实验表明，转变时间随控制参数扫速呈幂律下降，指数约为0.5（图2）；进一步的研究表明，在耦合微腔网络中该指数仍保持普适的鲁棒性。  

图2 (a)激光态切换的实时动力学成像；(b)转换时间随扫描速率的时间标度律

该工作为面向可重构光源、片上光子网络等应用的器件设计提供了基本时间尺度参考，同时也为驱动-耗散的非平衡光子系统临界动力学提供了有效的实验基准，为相关普适规律的建立与检验奠定了基础。

相关研究成果以“Power-law scaling of lasing-state switching in optical microcavities”为题在线发表于Physical Review Letters。论文第一作者为曹启韬、通讯作者为肖云峰，合作者包括物理学院2016级本科生纪青鑫、2018级博士生张沛吉、2024级博士生王迟傲和全海涛教授、刘文静研究员、彭湃研究员等。

上述研究工作得到国家自然科学基金创新研究群体项目、国家重点研发计划及山西大学极端光学协同创新中心等的支持。