控制随机激光器的谱持久性

研究背景

随机激光器（Random Lasers，以下简称RLs）自1960年代被Letokhov理论提出以来，逐渐成为一个受到广泛关注的研究领域。RLs的一大特点是不需要精密制造的光学腔，这使得其在加工和扩展方面具有显著优势。这类激光器由于其固有的多模特性和低空间相干性，在全视场无干涉成像等应用中展现出独特的优势。例如，RLs在光散射介质中通过受激发射产生相干光，具有非线性响应和独特的谱波动行为，这些特点使其在传感和成像领域有潜在的应用。此外，RLs还展示出在复杂网络中作为非线性元件的潜力，是光神经网络的理想组件。

然而，RLs由于其结构的无序特性，在实际应用中面临着谱波动和重复性差等问题。尤其是在某些需要高重复性的应用中，例如神经网络的同步化中，谱波动显著影响了性能。因此，控制RLs的模式稳定性，减少谱波动，成为当前研究的一大热点。

来源及作者

本文发布在2024年7月的《Optica》期刊第11卷第7期上，论文题目为“Controlling the Spectral Persistence of a Random Laser”。研究由Pedro Moronta, Pedro Tartaj, Antonio Consoli, Pedro David García, Luis Martín Moreno和Cefe López完成。第一作者和通讯作者所在机构包括Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)，以及Universidad Rey Juan Carlos等。

研究流程及实验方法

样品制备

样品制备使用了三种主要化学物质：鲑鱼DNA钠盐、CTMA氯化物和染料DCM（4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran）。样品具有V形设计，以方便调整腔长。具体过程包括将鲑鱼DNA钠盐与CTMA氯化物混合得到DNA-CTMA复合物，然后将染料DCM加入DNA-CTMA溶液中，最后通过刮除TIO2形成具有粗糙边缘的V形结构。

光学实验设置

实验使用了两个激光系统：一个纳秒脉冲激光器和一个皮秒脉冲激光器，分别发射15ns和30ps脉冲，均工作在532nm波长。通过旋转半波片和固定偏振器控制能量输出，并使用一个柱透镜产生条状光束。光发射由后侧的显微镜物镜收集，并通过分光计进行光谱分析。实验测量了不同腔长下的单次激射光谱，评估了它们的频谱波动情况。

理论模型

采用耦合模式理论（Coupled-Mode Theory, CMT），模式的电磁场通过以下方程描述：

[ \frac{d a_k}{d t} = i \delta_k a_k - \alpha_k ak + \sum{j \neq k} c_{k,j} a_j + g(t, \delta_k) \frac{a_k}{1 + \gamma_k |a_k|^2} ]

具体参数包括模式的复杂振幅、中心频率偏移、衰减常数、模式间耦合系数、增益和饱和系数等。此模型用来模拟不同泵浦脉冲宽度与模式交互时间的关系，旨在解释实验结果。

实验结果与讨论

光谱波动与腔长的关系

在实验中，研究人员改变了腔长并保持泵浦能量恒定，发现腔长越短，单次激射光谱波动越小。如图所示，对于330±50µm的腔长，单次激射的频谱几乎固定。而对于1300±50µm和1910±50µm的腔长，光谱波动显著，表现为连续激射光谱中不同峰值位置的变化。

相关系数分析

通过计算不同腔长下的Pearson相关系数，研究发现腔长越短，光谱之间的相关性越高。当泵浦脉宽较长（15ns）时，不同腔长的光谱几乎一致（Pearson相关系数接近1）。而对于短脉宽（30ps），仅有较短腔长的光谱表现出高相关性（相关系数超过0.9）。

模拟结果

CMT模型的数值模拟进一步验证了实验结果。随着模式数量增加（等效腔长增加），获得的单次光谱波动加剧，累积光谱逐渐变得平滑并出现较大的基线信号。这一结果表明，模式交互时间相对泵浦脉宽的重要性。

讨论与结论

研究表明，通过控制泵浦脉宽和腔长，可以有效调控RLs的光谱持久性。当泵浦脉宽足够长，使得光子在腔中完成足够多的往返时，模式间的竞争得到充分发展，最终形成稳定的光谱结构。

这一发现不仅对基础激光物理研究具有重要意义，也为实际应用中的RLs提供了一种简便而可靠的模式稳定控制方法。利用这一控制机制，RLs在同步、信号处理和神经网络等领域的潜力将进一步得到挖掘。

研究意义与展望

该研究揭示了RLs从非稳定到稳定之间的转换机制，进一步表明了腔长和泵浦脉宽在光谱稳定性控制中的关键作用。这不仅为实际应用提供了可操作的控制方法，也为未来RLs及其在复杂网络中的应用开辟了新的研究方向。

研究获得了西班牙科学与创新部以及多个研究计划的资助。研究数据可通过合理请求从通讯作者处获取，模拟计算所用的Python代码也可提供。

研究的成功展示了团队在随机激光器领域的前沿突破，对于激光科学和应用技术提供了新的思路。