Diffusion stimulée dans les microcavités supermodes, tels que les lasers Raman ou Brillouin, a montré un mérite sans précédent pour les mesures de précision en exploitant la note de battement dans leurs spectres laser. Cette note de battement correspond au dédoublement énergétique des supermodes et est très sensible à toute perturbation extérieure. Cependant, une question cruciale intrigue les chercheurs depuis deux décennies :ces lasers à microcavité supermode sont-ils monomodes ou bimodes ? Maintenant, une équipe de recherche dirigée par le professeur Xiao Yunfeng de l'Université de Pékin a révélé la dynamique laser d'un laser à diffusion stimulée dans une microcavité supermode, et démontré expérimentalement sa nature monomode. Ce travail a été publié en ligne dans PNAS .

Le paradoxe naît de la contradiction entre la théorie du laser et les observations expérimentales. D'un côté, en raison du gain homogène, le champ de pompage doit toujours être bloqué après l'émission du laser, conduisant à un laser monomode. D'autre part, cependant, les notes de battement largement observées ont fourni des preuves pour le laser bimode. "Ce phénomène de battement contredit vraiment ce que nous avons appris du manuel, mais ça existe, " dit Cao Qitao, un chercheur postdoctoral Boya à l'université de Pékin, "donc nous pensons qu'il doit y avoir de la physique cachée." Les chercheurs ont utilisé la diffusion de surface pour construire une paire de supermodes dans une microcavité de galerie de chuchotement (Fig.1), et généré un laser Raman à seuil ultra-bas. Puis, ils ont adopté une structure de couplage add-drop pour acquérir directement la puissance de la pompe intracavité, par lequel l'effet de serrage du champ de pompage est observé pour la première fois (Fig.2). De plus, à l'aide d'une méthode hétérodyne, le rapport de suppression de mode latéral mesuré (SMSR) est caractérisé comme étant supérieur à 30 dB, de sorte que la caractéristique monomode du laser Raman en microcavité supermode est démontrée sans ambiguïté.

"Pour révéler la physique sous-jacente du phénomène de battement précédemment observé, nous avons utilisé la méthode d'auto-injection pour moduler les pertes de mode des deux supermodes, " dit Zhang Peiji, un doctorat étudiant à l'Université de Pékin. Expérimentalement, l'auto-injection a été introduite par une faible réflectance sur le laser de sortie, et une partie du laser de sortie est réinjectée dans la cavité pour interférer avec le champ laser intracavité. Avec la méthode d'auto-injection, le phénomène de battements périodiques précédemment observé est apparu dans le domaine temporel (Fig.2). Une analyse théorique plus approfondie révèle que la note de battement signalée précédemment provient de l'interférence transitoire pendant le processus de commutation entre les lasers supermodes, plutôt que l'effet laser simultané des deux supermodes. Côté application, cette méthode d'auto-injection peut contribuer à la génération sélective de lasers quasi dégénérés et à l'amélioration de leur SMSR.

"Nos résultats ont clairement élucidé le débat de longue date sur le paradoxe du spectre laser de la diffusion stimulée dans les microcavités supermodes, " dit le professeur Xiao. " De plus, ce travail fournit une orientation perspicace pour les mesures de précision basées sur le microlaser et ouvre la voie à des sources lumineuses reconfigurables et à des mémoires optiques à faible consommation d'énergie.