Scattering stimolato in microcavità supermode, come i laser Raman o Brillouin, ha mostrato un merito senza precedenti per le misurazioni di precisione sfruttando la nota di battuta nei loro spettri laser. Questa nota di battuta corrisponde alla suddivisione dell'energia dei supermode ed è altamente sensibile a qualsiasi perturbazione esterna. Però, una domanda cruciale ha lasciato perplessi i ricercatori per due decenni:questi laser a microcavità supermode sono modalità singola o doppia? Ora, un gruppo di ricerca guidato dal professor Xiao Yunfeng dell'Università di Pechino ha rivelato le dinamiche laser di un laser a diffusione stimolata in una microcavità supermodale, e ha dimostrato sperimentalmente la sua natura monomodale. Questo lavoro è stato pubblicato online in PNAS .

Il paradosso nasce dalla contraddizione tra la teoria del laser e le osservazioni sperimentali. Da una parte, a causa del guadagno omogeneo, il campo della pompa deve essere sempre bloccato dopo l'emissione del laser, che porta a un laser monomodale. D'altra parte, però, le note di battito ampiamente osservate hanno fornito prove di laser dual-mode. "Questo fenomeno di battitura contraddice davvero ciò che abbiamo imparato dal libro di testo, ma esiste, " disse Cao Qitao, un ricercatore post-dottorato Boya all'università di Pechino, "quindi pensiamo che ci debba essere un po' di fisica nascosta." I ricercatori hanno utilizzato la diffusione superficiale per costruire una coppia di supermode in una microcavità della galleria dei sussurri (Fig.1), e ha generato un laser Raman a soglia ultrabassa. Quindi, hanno adottato una struttura di accoppiamento add-drop per acquisire direttamente la potenza della pompa intracavitaria, con cui si osserva per la prima volta l'effetto di bloccaggio del campo della pompa (Fig.2). Inoltre, con l'aiuto di un metodo eterodina, il rapporto di soppressione della modalità laterale misurato (SMSR) è caratterizzato da oltre 30 dB, in modo che la caratteristica monomodale del laser Raman nella microcavità supermodale sia dimostrata senza ambiguità.

"Per rivelare la fisica sottostante al fenomeno del battito osservato in precedenza, abbiamo utilizzato il metodo dell'autoiniezione per modulare le perdite di modo dei due supermodi, " disse Zhang Peiji, un dottorato di ricerca studente all'Università di Pechino. Sperimentalmente, l'autoiniezione è stata introdotta da una debole riflettanza sul laser in uscita, e parte del laser in uscita viene iniettata di nuovo nella cavità per interferire con il campo laser intracavità. Con il metodo dell'autoiniezione, il fenomeno del battito periodico osservato in precedenza è emerso nel dominio del tempo (Fig.2). Un'ulteriore analisi teorica rivela che la nota beat riportata in precedenza deriva dall'interferenza transitoria durante il processo di commutazione tra i laser supermode, piuttosto che il laser simultaneo dei due supermode. Per quanto riguarda l'applicazione, questo metodo di autoiniezione può contribuire alla generazione selettiva di laser quasi degenerati e al miglioramento del loro SMSR.

"I nostri risultati hanno chiaramente chiarito il dibattito di lunga data sul paradosso dello spettro laser dello scattering stimolato nelle microcavità supermode, " disse il professor Xiao. "Inoltre, questo lavoro fornisce una guida approfondita per misurazioni di precisione basate su microlaser e apre la strada a sorgenti luminose riconfigurabili e memorie ottiche a basso consumo energetico".