拓扑激光器相干性理论

我们针对一种拓扑激光器件的时间与空间相干性性质进行了理论研究，该器件通过在光子的 Harper–Hofstadter 晶格边缘格点上引入可饱和增益构成。对于足够小的晶格，Bogoliubov 分析适用，发射近乎为单模，相干时间几乎由器件中光子总数决定，符合标准 Schawlow-Townes 相位扩散。在较大晶格中，在其手性运动共动参考系中观察激光边缘模式时，长波涨落的空间-时间关联呈现出 Kardar-Parisi-Zhang（KPZ）标度。然而在极长时间下，当器件的有限尺寸开始起作用时，相干时间衰减的函数形式从 KPZ 拉伸指数变为类 Schawlow-Townes 指数，而 KPZ 涨落的非线性多模动力学仍表现为相较于单模 Schawlow-Townes 预测的线宽增强。尽管我们也已在不具拓扑性的激光阵列中确立了上述行为，但拓扑在保护相干性免受静态无序影响中的关键作用最终被凸显：我们突破性的数值计算表明，相较于相应的非拓扑器件，拓扑激光器的相干性得到了显著增强。这些结果为非平衡统计力学的基础研究以及激光器件的具体应用开辟了令人振奋的可能。