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国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士领导的课题组与北京师范大学物理学系、应用光学北京市重点实验室陈建军教授合作，首次提出并实验证明了在相空间中的微腔光场操控，为光学混沌动力学的原位研究和新型光子学器件研发提供了全新思路。2021年12月28日，相关研究成果以《通过裁剪相空间实现混沌微腔光子输运调控》（Regulated photon transport in chaotic microcavities by tailoring phase space）为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
微腔光场调控在基础光物理研究和先进光学技术发展中具有重要意义。通常的微腔光场调控研究主要在实空间或动量空间中进行，虽已被成功应用于量子光学、精密测量等诸多领域，但迄今仍无法充分发挥优势。为了完备描述一个物理系统的动力学特征，必须同时涵盖动量和空间维度的信息，“相空间”的概念应运而生，其对统计力学、混沌物理等学科的发展起到至关重要的作用。上个世纪90年代，相空间被首次引入微腔光子学研究，为非对称光学微腔内的动力学轨道研究构造出一幅直观、清晰的物理图像。然而，对于非对称微腔的光场调控，人们一般通过调整腔的边界形状改变对应的相空间来实现；这种全局性的调控虽然能够研究部分腔形依赖问题，但它无法原位控制的特点仍然制约着非对称腔领域的发展，尤其是对相空间中特定动力学过程的探索。
联合研究团队通过在非对称微腔内引入特定的局域结构，实现了对相空间中动力学轨道的精确“裁剪”（下图），从而为操纵光子输运提供了新的可能。研究结果表明：在时域上，微腔光场的局域性质得到了有效调控，使得对应的光学模式品质因子得到数量级的增强；在空域上，微腔光场的出射特性得到了精确操控，从而实现了远场出射分布的整形。进一步，研究人员在实验上采用片上胶体量子点激光器，成功验证了裁剪相空间的光场调控方法对微腔激光器腔模出射特性的有效控制。这项工作为动力学局域、人工势垒等微腔光场动力学研究构造了如手术刀般精密的操控工具，同时也为光学神经元、多功能激光器等基于微腔的片上光子学器件开辟了一条新的设计思路。

相空间“裁剪”示意图（左）和“裁剪”后微腔激光的光场成像（右）
2021年12月28日，相关研究成果以《通过裁剪相空间实现混沌微腔光子输运调控》（Regulated photon transport in chaotic microcavities by tailoring phase space）为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）；论文的共同第一作者为北京大学物理学院2017级博士研究生钱焰军、2016级博士刘慧和北京大学“博雅”博士后曹启韬，共同通讯作者为北京大学肖云峰教授和北京师范大学陈建军教授，合作者还包括新加坡国立大学仇成伟教授和德国马格德堡大学Jan Wiersig教授等。
上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科技计划、博士后创新人才支持计划，及极端光学协同创新中心和北京大学高性能计算中心等支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.273902
来源：北京大学物理学院