Les sources lumineuses cohérentes sont l'un des fondements les plus cruciaux des disciplines scientifiques et des applications avancées. En tant que plate-forme de premier plan, Les microcavités en mode galerie de chuchotement (WGM) à ultra-haut Q ont été témoins de développements importants de nouvelles sources lumineuses. Cependant, la symétrie chirale intrinsèque de la géométrie de la microcavité WGM et l'équivalence résultante entre les deux directions de propagation laser dans une cavité limitent sévèrement d'autres applications des microlasers.

Très récemment, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Xiao Yun-Feng et le professeur Gong Qihuang à l'Université de Pékin, en collaboration avec le professeur Qiu Cheng-Wei à l'Université nationale de Singapour et le professeur Stefan Rotter à l'Université de technologie de Vienne, a démontré un microlaser à rupture de symétrie spontanée dans une microcavité WGM à ultra-haut Q, présentant des directions de propagation reconfigurables du laser chiral. Ce travail a été publié en ligne dans Communication Nature le 28 février 2019.

Dans des études antérieures, les solutions existantes pour un microlaser chiral recourent principalement à la rupture explicite de la symétrie de structure d'une microcavité WGM. Malheureusement, l'évolutivité et la reconfigurabilité de ces stratégies précédentes sont fortement limitées puisque les dispositifs, une fois fabriqué, venir avec un préfixe, directivité laser non personnalisable. Dans ce travail, les chercheurs réalisent un microlaser chiral reconfigurable dans une microcavité WGM symétrique en utilisant la non-linéarité optique Kerr améliorée par la cavité.

"Nous avons utilisé des lasers Raman à microcavité dans l'expérience, qui impliquent généralement une paire d'ondes équilibrées dans le sens horaire (CW) et antihoraire (CCW), " dit Cao Qi-Tao, un doctorat étudiant à l'Université de Pékin et l'un des co-premiers auteurs de cet ouvrage. Les ondes laser Raman dans les deux directions sont couplées entre elles par diffusion Rayleigh linéaire de surface et modulation de phase non linéaire par effet Kerr optique. Lorsque la puissance du microlaser avec une phase particulière augmente et atteint un seuil, le couplage linéaire est complètement compensé par le couplage non linéaire. Au-dessus de ce seuil, la symétrie chirale du champ laser se brise spontanément, et l'onde Raman évolue de manière aléatoire vers un état chiral avec une propagation laser dominée par CW ou CCW. Expérimentalement, un rapport sans précédent d'intensités d'émission contra-propagatives est obtenu dépassant 160:1. Par ailleurs, la directionnalité d'un tel microlaser chiral est contrôlée de manière tout optique et dynamique par la polarisation dans la direction de la pompe, et le seuil de rupture de symétrie est réglable à l'aide d'un diffuseur à nanopointes.

"Nos résultats brisent les limites de la perception de la façon de réaliser une source de lumière cohérente reconfigurable, pour permettre une reconfigurabilité puissante de la directivité et de la chiralité d'un laser, et d'étendre un impact à long terme sur la nanophotonique sur puce et les processus non linéaires, " a déclaré le professeur Xiao. " Un tel laser à émission spontanément chiral peut également être étendu à diverses microstructures, et est presque exempt de la limite matérielle en raison de l'omniprésence de la non-linéarité de Kerr."