天津航海仪器研究所和电子科技大学、深圳大学的研究人员合作概述了微腔复杂激光器的产生、调控及前沿应用进展。他们从微腔结构无序度渐增的视角出发，系统性地概述了各种类型的微腔复杂激光器，并主要介绍了无序微腔激光器的历史发展、激光特性、调控方法和在不同学科的应用场景，最后对微腔复杂激光器的发展趋势进行了深入讨论。
典型的激光器由三个基本元素组成：泵源、放大受激辐射的增益介质以及产生光学共振的腔体结构。当激光器的腔体尺寸接近微米或亚微米级时，它就成为当前学术界的研究热点之一：微腔激光器，其能在小体积内实现显著的光与物质相互作用。将微腔与复杂系统相结合，例如引入不规则或无序的腔体边界，亦或将复杂、无序的工作介质引入微腔，都会增加激光输出的自由度，无序腔体的物理不可克隆特性带来激光参数的多维调控方法，并可以拓展其应用潜力。相关成果以“Microcavity complex lasers：from order to disorder”为题，以特邀综述的形式在线发表于Annalen Der Physik。
微腔复杂激光器的研究体系
随机微腔激光器的不同系统
本文首次从不同腔体维度的角度对随机微腔激光器进行分类。这种区分不仅突出了随机微腔激光在不同维度上的独特输出特性，也阐明了随机微腔的尺寸差异在各种调控和应用领域的优势。其中三维固态微腔通常具有较小的模体积，从而实现更强的光物质相互作用。由于其三维封闭结构，光场可以在三个维度上高度局域化，通常具有高品质因子（Q因子）。这些特性使其适用于高精度传感、光子存储、量子信息处理等先进技术领域。
而开放的二维薄膜系统是构建无序平面结构的理想平台，薄膜系统可以作为具有集成增益和散射的二维无序介质平面，积极参与随机激光的生成。且“平面波导效应”使激光的耦合和收集更加容易。随着腔体维度进一步降低，将反馈和增益介质集成到一维波导中，可以抑制径向光散射，同时增强轴向光的共振和耦合，这种集成方式最终提高了激光产生和耦合的效率。
随机微腔激光器的调控特性
传统激光器的多种指标，如相干性、阈值、输出方向和偏振特性等，都是衡量激光器输出性能的关键标准。与具有固定对称腔体的传统激光器相比，随机微腔激光器在参数调控方面提供了更大的灵活性，体现在包括时域、光谱域和空域等多个维度，突显了随机微腔激光的多维可控性。
例如，研究人员通过优化泵浦参数、调整散射强度和改变增益介质的发光效率来调节随机激光的阈值。且随机激光的输出模式本质上是无序的，表现为低空间相干性（无散斑）和低时间相干性（具有大量纵模），与通常仅有单一输出模式的传统激光器相比，随机激光的低相干性为研究模式调制提供了众多可控自由度。目前，学术界广泛采用的方法是通过泵浦自适应调整来实现随机激光的定向输出、单一光谱模式及其对应空间模式的选择输出。此外，随机激光的方向性与散射路径密切相关，通过优化微腔载体、优化泵浦形状以及利用外场控制内部介质等方式，可以有效减少随机激光器的全向发射缺陷。
随机微腔激光器的应用特性
低空间相干性、模式随机性和对环境敏感特性等为随机微腔激光器的应用提供了许多有利因素。随着随机激光的模式控制和方向调控问题的解决，这种独特的光源越来越多地应用于成像、医学诊断、传感、信息通信等领域。
作为微纳尺度的无序微腔激光器，随机微腔激光器对环境变化非常敏感，其参数特性可以响应各种监测外部环境的敏感指标，如温度、湿度、pH值、液体浓度、折射率等，为实现高灵敏度的传感应用创造了一个优越的平台。
在成像领域，理想的光源应具有高光谱密度、强定向输出和低空间相干性，以防止干涉散斑效应。研究人员们通过在钙钛矿、生物膜、液晶散射体和细胞组织等载体中均验证了随机激光在无散斑成像中的优势。在医学诊断中，随机微腔激光可以携带来自生物宿主的散射信息，成功应用于检测各种生物组织，为无创医疗诊断提供了便利。
总结与展望
本综述介绍了自然界和人工环境中广泛存在的无序结构中包含的复杂激光现象，定义了微腔复杂激光的概念，梳理了不同类型的微腔复杂激光，并重点介绍了随机微腔激光的发展、调控及应用。未来，对无序微腔结构和复杂激光生成机制的系统分析将变得更加完善。随着材料科学和纳米技术的不断进步，可预期将制造出更加精细和功能化的无序微腔结构，在推动基础研究和实际应用方面具有巨大潜力。
