PT对称性和单模半导体激光

材料科学的研究在很多应用领域处在非常基础的地位，能够制造出性质特殊的材料意味着行走江湖具有了独门绝技。以半导体为代表的材料科学研究，在现代生活中具有不可替代的作用。做为一个应用例子，半导体激光器在科研和生产中都有广泛应用。一步来说，半导体激光材料的增益带宽很宽，好的一方面是可以获得不同波段的激光。不好的一面在于会有多个模式的光满足受激激发条件，导致多模的发生。为了得到非常好的单模激光，可以用外腔反馈，或者用DBR或FDB激光来获得线宽激光。DBR或FDB技术是在激光增益物质上刻出光栅，频率选择反射光进行反馈，从而获得非常好的单模性。当然，这些都需要额外的加工制造。

现在这些技术得到新的发展，最近Science上刊登了两篇类似文章，用PT对称性材料来实现单模性很好的激光（Science,346972（2014），Science346 975（2014））。所谓PT对称性材料，就是利用微加工方法，调制介质的增益或耗散，使得介质的折射率满足

其中虚部表示增益或耗散。

在PT对称情况下，系统有为实数的本征态，整体增益为中性。通过选择不同的材料（增益材料和耗散材料），满足上面所列出条件，这样就获得了PT对称性材料。而在一定情况下，PT对称性可以发生破缺，本征态不是实数，系统有总的增益或耗散。通过选择对称性破缺条件，使得只有一个模式满足，这样就只有一个模式满足受激激发条件，从而获得单模激光。

Science两篇文章中，用两种不同的方案制备了PT对称性介质。

方法一是分别制备一个增益共振环和一个耗散环。如图1C，从而满足PT对称性要求。他们制备了三种不同情况，图1A显示单一一个增益环，由于增益介质的带宽很宽，因此任何满足正增益的模式可以受激放大，因此是多模。图1B中放置两个增益环，这样他们的分别对应的模式都可以激发，由于耦合的作用，他们之间模式有一个分裂。图1C是PT对称性结构。由于增益和耗散相互抵消，因此PT对称性的情况下总增益为零。只有满足PT对称性破缺的情况下，才有两个模式出现。因此只要制作材料使得某一个模式满足对称性破缺条件，而其他模式不满足此条件，那么激光激发就是单一模式。

图1：利用一个增益环和一个耗散环来制造PT对称性材料。

第二种方法是周期性调制介质的增益和耗散，当泵浦功率增加，PT对称性破缺，最后就剩下单模满足受激激发条件。

图2：利用周期性增益、耗散材料在制作PT对称性共振环。