北京大学李倩课题组、清华大学付红岩课题组 LPR ：近零介电常数光纤激光器的类﹣超导量子干涉仪行为
摘要：北京大学深圳研究生院李倩课题组和清华大学深圳国际研究生院付红岩课题组将近零介电常数透明导电材料（氧化锢锡）引入非线性偏振演化光纤激光器，揭示了一种新颖的“类﹣超导量子干涉仪”的工作模式和崭新的模式重选﹣混和锁模机制。
关键词： Laser & Photonics Reviews ，近零介电常数，透明导电氧化物，氧化锢锡，光纤激光器
传统SQUIQ与光学类SQUID行为的系统组成
ENZ ITO材料的介电常数以及类SQUID激光器中的模式重选和结构设计
近零介电常数（ ENZ ）光学材料由于其独特的线形与非线性光学性质受到了广泛的关注。其卓越的光学特性可以被用于高速光通信、全光计算、量子网络、频率产生（谐波、太赫兹产生以及非线性频移）等领域，具有非常高的科研和应用潜力。
通常的光学材料具有大于1的折射率，而 ENZ 材料在某些特定的波长可以表现出小于1的折射率和被极大增强的非线性效应，引起了学界的广泛关注。其中，被大量用于便携式智能设备触摸屏的透明导电氧化物之一——氧化锢锡（ ITO ）是 ENZ 材料在通讯波段的重要代表之一。其在激光腔外的线性和非线性光学特性及材料表征已被广泛研究，但对于激光腔内这种非厄米的非保守振荡系统，其表现被认为会有很大不同，且相应的研究相对较为缺乏。从光的角度看，折射率可以被当作某种“阻碍”一一这种“阻碍”能够降低物质中的光速，并在非正入射时使其路径进一步弯折。在激光器的非厄米系统中，这种“阻碍”可以进一步被表示为某种“光学势垒”。在电学中，超导体拥有等于零或者近乎于零的电阻，从而具备普通导体没有的奇特电学性质。而由超导体﹣非超导体构成的约瑟夫森结，配合一个 LC 振荡电路（“槽路”)，就可以构成超导量子干涉仪( SQUID ）装置，用于检测其环路中微弱的磁场变化，并反映在槽路的振荡频率变化和两种振荡模式中。该研究创新性地使用激光腔内的 ENZ 组件和非 ENZ 组件，配合激光谐振腔本身的工作模式，首次实现了光学中的类 SQUID 行为一一其同样拥有两种工作模式，且腔内的 ENZ 波长变化会反映在其锁模波长的变化中。在此装置中， ENZ ﹣非 ENZ 组件的作用类似于约瑟夫森结，而谐振腔扮演着槽路的角色。
北京大学深圳研究生院李倩课题组和清华大学深圳国际研究生院付红岩课题组通过关联光学中近零介电常数（ ENZ ）光学材料与电学中超导材料的相似性，从理论上提出了两种工作模式和锁模波长变化的现象学模型一一基于 ENZ ITO 色散和吸收曲线的模式重选，并利用非线性偏振演化环形锁模激光器实现并验证了该行为模式。当腔内组件不具备 ENZ 成分时（ ENZ 波长与激光波长不匹配，或者为普通介电材料），由于该组件附加的额外光程会破坏非线性偏振演化的锁模过程，导致激光器失锁，从而实现连续光输出模式。当特定波长范围的 ENZ 组件存在时，激光器的输出为脉冲模式，其锁模输出波长与 ENZ 波长有关。这种特性揭示了一种通过比较已知 ENZ 波长组件来推测评估未知样品 ENZ 波长的潜在方法，在新型光学仪器的设计制造方面有着不错的应用潜力。其锁模机制不依赖调整光路中原有的波片组件，是一种新颖的混合锁模机制。传统 SQUID 工作在 MHz 级别的电学频率上，而类 SQUID 激光器工作在百 GHz 级别的光学频率上，为光学频率下的类 SQUID 行为提供了崭新的研究视角。
该工作的共同第一作者为北京大学深圳研究生院硕士毕业生吴嘉野（现博士就读于瑞士洛桑联邦理工学院）和清华大学深圳国际研究生院博士生刘轩奕。北京大学深圳研究生院李倩副教授和清华大学深圳国际研究生院付红岩副教授作为该论文共同通讯作者。合作者还有北京大学深圳研究生院张盛东教授、张冠张助理教授、以色列特拉维夫大学 Boris Malomed 教授和瑞士洛桑联邦理工学院 Camille - Sophie Br è s 副教授。上述研究得到了广东省自然科学基金，深圳市稳定支持重点项目的支持。
文章转自：AdvancedScienceNews