海南师范大学物理与电子工程学院杨红教授课题组围绕“缺陷原子晶格中的单向反射激光（unidirectional reflection lasing, URL）”开展系列研究，相应成果3篇发表在《Optics Express》、1篇发表在《Physical Review Applied》等SCI二区杂志上。博士生彭晨、硕士生郑鑫福和陈端富分别为论文的第一作者，杨红教授为通讯作者，海南师范大学为第一单位。同时，东北师范大学物理学院吴金辉教授为其中两篇论文的共同通讯作者；海南师范大学物理与电子工程学院严冬教授为其中一篇论文的共同通讯作者；海南师范大学数学与统计学院的张廷桂教授、物理与电子工程学院的张焓笑副教授参与了部分工作的研讨。

非互易光子光源是量子信息、集成光子芯片领域的核心器件。传统方案通常将激光振荡、光放大与单向非互易功能拆分为多个独立光学单元，依靠外加磁场实现非互易效应，存在系统结构复杂、集成难度高、磁场易干扰量子系统等短板，限制了可重构量子光子链路的发展。近日，杨红教授课题组提出并理论验证了一种在单一物理体系内融合多项核心光学功能实现单向反射激光的新方案，为无磁单向激光的设计开辟新路径。该工作在缺陷原子晶格中引入相干增益原子体系，提供探测光放大；进一步利用缺陷原子晶格的周期性结构和空间对称破缺效应构建分布反馈激光振荡并提供非互易机制。依托该系统，课题组成功实现可调控的单向反射激光输出，并对该系统的物理机制开展了深入剖析，揭示相干增益效应、晶格局域光场以及空间非对称响应三者之间协同作用规律；给出系统参数对激光单向性、放大倍率与频谱的精准调控。

一．谱奇异点与可调URL：实现URL模式的主动调控

课题组首先基于相干增益原子体系与缺陷原子晶格实现模式可调的URL。研究表明，通过调节外部驱动场和晶格结构，可有效控制URL的工作频率、强度和线宽，并获得多个URL工作点，揭示了谱奇异性、布拉格反馈与方向选择之间的内在联系。（该成果发表在Optics Express 34, 17320–17333, 2026）

                 图1. 相干增益原子系统与缺陷原子晶格以及实验装置图                                    图2. 受耦合场调控的单向反射激光             

二． 微波调控与干涉机理：揭示URL形成过程

随后，课题组在三能级V型原子体系中引入微波耦合，通过调节微波场、闭环相位及晶格参数，实现单模与双模URL的主动转换。周期逐步累积分析进一步表明，激光起振来源于多周期结构中的反馈累积，而单向零反射来源于相消干涉，两种条件在同一频率满足时形成URL。（该成果发表在Optics Express 34, 17491–17505, 2026）

图3. 相位和耦合场调控下单模到双模单向反射激光

三．“相消干涉 + 非对称分布式反馈”：建立结构可设计的双机制图像

进一步地，通过数值计算和分析揭示了URL的双重物理机制：右入射方向的直接反射与二次反射发生相消干涉，从而强烈抑制反射；左入射方向则通过非对称分布反馈增强反射并达到激光阈值。研究还建立了晶格结构参数与URL工作点之间的关系，为单向反射激光的结构化设计和主动调控提供了理论依据。（该成果发表在Physical Review Applied 25, 064011, 2026）

图4. 一次反射与二次反射相干以及晶格结构对单向反射激光的调制

四．真空诱导增益与双布洛赫模：拓展增益机制和解析理论

最新工作进一步引入真空诱导相干（VIC）作为新的增益机制，并建立双布洛赫模理论框架。该方法从解析角度描述了布拉格反馈、增益与非厄米简并光谱奇异点之间的联系，并可用于统一分析单向吸收、增益辅助单向反射放大及单向反射激光的演化过程和临界条件。

图5. 解析极化率超越方程分析单向吸收、放大和激光起振的临界值

该系列工作从缺陷原子晶格中的谱奇异点探寻和调控URL，进一步揭示相消干涉与非对称分布反馈产生URL的物理本质，最终通过双布洛赫模理论解析URL起振的条件。相关研究将分布反馈激光振荡、光放大、非互易定向调控集成于同一原子光学体系，摆脱了传统非互易器件对外部磁场的依赖。相关理论结果丰富了原子晶格相干激光的物理内涵，为研制无磁、可调谐、一体化的非互易光子光源提供理论支撑，在量子光信号处理、片上集成光子回路等方向具备潜在应用价值。（该成果发表在Optics Express 34, 33519–33535, 2026）

系列工作得到国家自然科学基金项目（12564048、12204137、12564047、11874004、11204019）支持；其中三项工作同时得到海南省研究生创新科研项目（Qhys2024-402）支持。

论文链接

1. Unidirectional spectral singularity lasing in a defective atomic lattice（Optics Express 34, 17320–17333, 2026，2026年5月1日在线发表）https://doi.org/10.1364/OE.591667

2. Unidirectional reflection lasing via microwave modulation in defective atomic lattice（Optics Express 34, 17491–17505, 2026，2026年5月4日在线发表）https://doi.org/10.1364/OE.591668

3. Modulation of unidirectional reflection lasing via the dual mechanisms of destructive interference and asymmetric distributed feedback（Physical Review Applied 25, 064011, 2026，2026年6月3日发表）https://doi.org/10.1103/ws6v-b98c

4. Dual-Bloch-mode unidirectional reflection lasing via vacuum induced gain in an asymmetric defective atomic lattice（Optics Express 34, 33519–33535, 2026，2026年8月28日在线发表）https://doi.org/10.1364/OE.608834