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手性激光能精準地只激發或輸出某一種特定的振動模式并抑制其他不需要的模式，相比普通激光更“專一”“精準”，在量子光學、生物傳感、光通信等領域應用前景廣闊。

中國科學院半導體研究所鄭婉華院士團隊等，創新性提出一種通過光子晶體實現手性激光發射的路徑，為構造實用的芯片級手性激光器提供新方案。

01

雙重挑戰

當人們談論激光時，腦海中往往浮現出一束筆直向前的光束，比如超市掃碼槍或激光筆發出的光。

其實，激光不僅能直線傳播，還能像陀螺一樣 “左旋”“右旋”，這種特性與分子或物體的手性（如左手與右手的鏡像對稱性）類似。在制藥、生物檢測、量子技術等需要區分左旋/右旋、左手性/右手性的應用場景中，手性激光比普通激光更“懂行”，也更好用。

手性激光的核心是讓激光光束攜帶明確且單一的手性（如左旋渦旋或右旋渦旋），但光的手性容易受對稱性影響而失去專一性，且手性模式對溫度變化、材料缺陷等環境擾動極為敏感。

抑制非手性模式而過度設計復雜結構，可能導致激光效率大幅下降、無法實用。因此，如何實現手性激光的高效激發與穩定調控，同時滿足集成化、實用化需求，是科學研究的一大挑戰。

02

集體共振賦能手性激光發射

研究團隊提出的手性激光發射新路徑主要分兩步，首先是設計一種圓形邊界的有源光子晶體，利用其邊界散射效應使原本離散的光子晶體模式形成集體振蕩。

▲集體振蕩現象圖示

集體振蕩，即多個獨立諧振體在相互作用下共同形成整體振蕩，且整體諧振特性與單個諧振體存在顯著差異的現象。比如，當你逐一敲響一排編鐘時，每個鐘都有自己的音調，但當它們同時振動時，卻會產生一種全新的和聲。

集體振蕩通常是用實空間中相互作用的諧振體系來構造。在圓形邊界散射效應作用下，原本獨立傳播的多個光子晶體導模發生各向同性耦合，進而在動量空間形成了二重簡并的集體振蕩，使得光束高度集中、傳輸效率大幅提升。

▲集體振蕩原理

03

給激光發射裝上“方向盤”

集體振蕩的實現只是第一步，讓激光“左旋”還是“右旋”？關鍵在于打破對稱。

研究團隊巧妙地使用了“非對稱泵浦”技術。簡單說，就是從晶體的不同位置注入能量，就像給兩個旋轉方向相反的陀螺施加不等的推力，讓其中一個占據主導，進而成功實現了單一手性的激光發射。

為證明實現激光的單一手性，研究團隊進行了實驗驗證：讓激光自己和自己“干涉”。就像水波相遇會形成明暗條紋一樣，手性激光的自干涉會產生獨特的“叉形條紋”。左旋和右旋激光的條紋叉口方向相反，清晰地顯示了它們的旋轉特性。更神奇的是，這種激光的中心強度為零，形成一個 “相位奇點”——就像漩渦的中心，所有的能量都繞著這個點旋轉。

傳統的渦旋激光設備往往體積龐大、結構復雜，手性激光器不僅結構更緊湊、集成度更高，還能在光的“手性”維度上提供新的調控自由度。

▲手性渦旋激射特征

這項研究向我們展示了微觀世界的精妙控制藝術，為構造實用化的芯片級渦旋激光器提供了新思路，有望為量子/光子計算、傳感、微操控和手性鑒別提供高質量光源。