图1 具有不同结构的聚合物光纤随机激光的产生
1. 导读
由于非线性增益和无序的共存，随机激光（RL）被认为是一个复杂的光学系统，其中蕴含着丰富的物理学规律。在过去几十年中，凭借其在低成本、微/纳米尺寸、低相干激光源和显示器上的潜在应用引起了大量关注。然而由于其无序和非线性相互作用的复杂性，利用传统光学分析方法研究RL仍然难以探索出其中蕴含的深层次且具有高普适度的物理学规律，导致在RL的反馈机制和发射机制等物理光学特性的理解上持续存在争议。为此，科学家们引入副本对称破缺(RSB)，尝试用基于自旋玻璃理论的统计学分析方法来探索RL中的无序和非线性相互作用从而探索其蕴含的物理学规律来实现RL在工程应用上的突破。但由于缺乏完善的基于RSB的统计分析框架，因此利用RSB分析RL中的光学和物理学特性仍然具有挑战性。
针对这些问题，近日安徽大学胡志家教授团队在Nanophotonics发表最新文章，实现了RL中的可调谐RSB。基于具有不同结构的聚合物光纤RL（见图1），在实验上观察到了温度和结构可调谐的RSB跃迁，并进行了一系列实验研究和理论分析得出了结构和温度对RL中RSB跃迁的调谐机制，同时证明了RL中的RSB不具有鲁棒性并突出了无RSB RL系统的科学性和重要性。
该研究成果不仅完善了基于RSB的统计分析框架还使研究不同RL系统中的动力学差异成为可能，从而拓展了利用自旋玻璃理论研究RL中所蕴含的丰富物理学规律的思路。
2. 研究背景
自旋玻璃理论已被广泛认为是描述凝聚态、生态群落和随机光子学等不同研究领域中复杂物理意义的基本方法之一。自旋玻璃类似于高温下的一般磁系统，表现出顺磁相。当温度降至一定值以下时，会出现自旋玻璃相，系统中的“自旋”方向变得无序。其中顺磁相到自旋玻璃相的跃迁被称为RSB。RSB作为一种统计分析方法被用于理解从原子到宇宙尺度的复杂系统中的无序和非线性相互作用从而探索其蕴含的动力学特性。在随机激光中，随着泵浦能量的增加，表征RSB的从顺磁相到自旋玻璃相的跃迁往往发生在阈值附近。值得注意的是RL系统属于逆温度系统，高泵浦对应于低温而低泵浦对应于高温。这表明RL中的泵浦能量变化等价于自旋玻璃相变中的温度变化。但在固定泵浦强度下，环境温度对RL中RSB的影响尚未被确定。此外，学者们通过数值模拟报道，当复杂系统中相干振荡的模式受无序挫折时，模式间的相互作用将变得无序最终可导致非平凡的动力学跃迁。但在RL领域中无序对RSB的影响缺少实验支撑。
自从2015年RL中RSB的实验证据被报道以来，在不同RL系统中观察到RSB的研究被广泛报道，有学者提出RSB在特定RL系统中具有鲁棒性并将RSB看作是RL阈值的标志。然而，不存在RSB的RL系统并没有引起关注，RL中存在RSB和不存在RSB蕴含着什么样的光学和物理学差异？这些问题意味着RL领域中基于RSB的统计分析框架并不完善。因此，确定影响RL中RSB的关键因素已成为研究其所蕴含的丰富物理学规律的最大挑战。
3. 创新研究
根据上述挑战，研究人员从温度和无序出发，基于不同结构的聚合物光纤实现了RL中的可调谐RSB。如图1所示，分别制备具有空芯、实芯和POSS芯的PFH、PFS和PFP实现不同结构的聚合物光纤RL发射以支撑温度和无序对RL中RSB跃迁的影响研究。如图2(b-d)所示，处于不同温度的PFP对应于不同的相位跃迁。通过将温度升高到50 oC再冷却回25 oC，观察到从自旋玻璃相（双峰分布）到顺磁相（单峰分布）再到自旋玻璃相的跃迁，实现了聚合物光纤RL中的温度可调谐RSB。通过图2(a, e 和 f)中关于温度对RL光学特性的影响分析，得出温度诱导的聚合物光纤RL中无序度的变化可以调谐RL中的RSB跃迁。
图2 基于PFP的温度可调谐RSB
此外，通过调节光纤结构使PFH，PFS和PFP中无序度依次增强。如图3所示，PFH在阈值上下均处于顺磁相不存在RSB跃迁。随无序度增强，在PFS阈值附近观察到不明显的自旋玻璃相，即存在不明显的RSB跃迁。当无序度进一步增强时，在PFH中观察到明显的RSB跃迁。这表明随着无序度的依次增强，相应的观察到从无RSB到不明显RSB再到明显RSB的动力学跃迁。这是由于无序度的增强导致RL模式之间的相干震荡趋势受无序诱导的挫折程度逐渐增强，使得模式之间的相互作用变得越加紊乱，难以达到稳定状态从而形成了图3中的动力学跃迁现象。这证明由光纤结构诱导的无序度的变化可以调谐聚合物光纤RL中的RSB跃迁。
总之，该工作实现了温度和结构可调谐的RSB，为RL中的可调谐RSB提供了实验证据。它在实验上证明了无序度是影响RL中RSB跃迁的关键因素。
图3 基于PFH (a-c), PFS (d-f)和PFP (g-i)的结构可调谐RSB
4. 应用与展望
研究团队报道的RL中的可调谐RSB允许基于RSB研究不同RL系统中的动力学差异，这为将来使用RSB研究RL的物理机制开辟了多个方向，例如基于不同RL系统中的动力学状态揭示RL发射过程中的模式相互作用、探索具有不同动力学表现的RL的光学差异，分析它们在工程应用中的不同特性并可根据可调谐RSB框架定制具有特殊应用特性的随机激光器。这在医疗，传感和光学成像等领域具有广阔的应用前景。
该研究成果以“Tunable replica symmetry breaking in random laser”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Jiangying Xia, Xiaojuan Zhang, Kaiming Zhou, Lin Zhang, Erlei Wang, Wenyu Du, Jiajun Ma, Siqi Li, Kang Xie, Benli Yu, Junxi Zhang, and Zhijia Hu，其中前两位作者为共同第一作者，Zhijia Hu教授为通讯作者。胡志家教授团队隶属于安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室、信息材料与智能感知安徽省实验室、物理与光电工程学院。
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