近日，北京師範大學物理學系、應用光學北京市重點實驗室陳建軍教授課題組與北京大學物理學院、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室肖雲峰教授和龔旗煌院士領導的課題組合作，首次提出並實驗證明了在相空間中的微腔光場操控，為光學混沌動力學的原位研究和新型光子學器件研發提供了全新思路，相關研究成果以“Regulated photon transport in chaotic microcavities by tailoring phase space”為題，發表於Physical Review Letters。
微腔光場調控在基礎光物理研究和先進光學技術發展中具有重要意義。通常的微腔光場調控研究主要在實空間或動量空間中進行，雖已被成功應用於量子光學、精密測量等諸多領域，但迄今仍無法充分發揮優勢。為了完備描述一個物理系統的動力學特徵，必須同時涵蓋動量和空間維度的資訊，“相空間”的概念應運而生，其對統計力學、混沌物理等學科的發展起到至關重要的作用。
上個世紀90年代，相空間被首次引入微腔光子學研究，為非對稱光學微腔內的動力學軌道研究構造出一幅直觀、清晰的物理影象。然而，對於非對稱微腔的光場調控，人們一般透過調整腔的邊界形狀改變對應的相空間來實現；這種全域性性的調控雖然能夠研究部分腔形依賴問題，但它無法原位控制的特點仍然制約著非對稱腔領域的發展，尤其是對相空間中特定動力學過程的探索。
聯合研究團隊透過在非對稱微腔內引入特定的局域結構，實現了對相空間中動力學軌道的精確“裁剪”，從而為操縱光子輸運提供了新的可能。研究結果表明：
- 在時域上，微腔光場的局域性質得到了有效調控，使得對應的光學模式品質因子得到數量級的增強；
- 在空域上，微腔光場的出射特性得到了精確操控，從而實現了遠場出射分佈的整形。
進一步，研究人員用前期開發的模板輔助填充法在實驗上製備了片上膠體量子點鐳射器，成功驗證了裁剪相空間的光場調控方法對微腔鐳射器腔模出射特性的有效控制。
這項工作為動力學局域、人工勢壘等微腔光場動力學研究構造瞭如手術刀般精密的操控工具，同時也為光學神經元、多功能鐳射器等基於微腔的片上光子學器件開闢了一條新的設計思路。
相空間“裁剪”示意圖（左）和“裁剪”後量子點微腔鐳射的光場成像（右）
該論文的共同通訊作者為北京大學肖雲峰教授和北京師範大學陳建軍教授，合作者還包括新加坡國立大學仇成偉教授和德國馬格德堡大學Jan Wiersig教授等。陳建軍教授的研究得到國家自然科學基金優秀青年科學基金專案、國家自然科學基金培育專案、國家重點研發計劃專案、北京市自然科學基金重點研究專題專案、北京師範大學啟動經費專案及應用光學北京市重點實驗室等支援。
拓展閱讀：
陳建軍，理學博士，2020年6月至今，任北京師範大學物理學系教授。研究興趣為整合奈米光子學：研究複合金屬-介質人工微納結構中光(經典、量子)的產生、傳輸及操控；發展混合整合工藝，把異質異構光子器件精確混合整合在單個晶片上。2013年獲第八屆“饒毓泰基礎光學獎”二等獎。2019年獲國家基金委優秀青年科學基金專案資助。
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注：文章部分素材來自北京師範大學物理學系官網
