近年来，耗散耦合作为一种新的光-物质相互作用形式，其独特的本征行为使其成为量子光学与非厄米物理的研究热点。不同于传统的相干耦合系统，耗散耦合产生的极化激元模式表现为能级吸引、线宽排斥的特性。这一行为来自于不同损耗通道之间的干涉，其中由辐射通道干涉相消产生的亚辐射极化激元模式，因可用作研究无退相干子空间、Friedrich–Wintgen类连续体的束缚态（FW-BIC）等现象广受关注。然而，由于实际材料和系统中不可避免的本征损耗，该模式仅能实现具有阻尼的准FW-BIC，而完美的FW-BIC需要将该模式补偿至0线宽。实验上，实现该0线宽模式即对应于激光的产生。
不同于相干耦合系统产生激光的方式（图1(a)和(d)），耗散耦合系统无需净增益模式的引入，也不需要复杂的增益和损耗平衡调控，只需调控系统的协同率达到或者超过1，即可利用两个耗散模式实现稳定的单模极化激元激光（图1(b),(e),(f)）。
从系统的本征行为来看，耗散耦合系统激光的阈值条件对应于系统协同率为1。然而，由于耗散耦合源于模式间的协同耗散，其耦合强度与模式耗散存在固有的依赖关系，致使系统的协同率难以达到甚至超过1。因此，过去对耗散耦合的实验研究往往局限在弱耦合区域（图1(c)蓝色区域）。此外，尽管相干耦合系统中的强耦合研究已较为成熟，但关于“强耗散耦合”的探索仍然不足，亟需进一步研究其在光-物质相互作用中的意义与应用潜力。
图1. 耗散耦合诱导的单模极化激元激光机制示意图
近日，浙江大学物理学院研究团队利用正反馈电路有效地补偿了微波腔光子的本征耗散，通过波导媒介实现了与钇铁石榴石（YIG）小球中的磁振子模式的耗散耦合，构建了突破协同率限制的耗散耦合系统，并成功观测到了耗散耦合诱导的单模极化激元激光和完美FW-BIC。
如图2(a)所示，将嵌有放大器的正反馈微波电路（红色部分）与微波腔（蓝色部分）耦合，腔光子模式的耗散可随放大器偏置电压的改变连续被补偿。这一过程清晰反映在传输谱中，如图2(b)和(d)所示。通过拟合传输谱线，我们发现该反馈电路可最终将腔光子模式补偿至0线宽，且在此过程中腔模的谐振频率和向波导的辐射耦合强度基本保持不变。此时将YIG小球放置在波导上，微波腔模与磁振子模式会通过行波媒介间接地发生相互作用。二者之间的相互作用类型可以通过改变YIG小球与平面谐振腔的相对位置来改变。如图2(e)所示，谱线在磁场变化下呈现的能级吸引特性确定了耗散耦合的建立。该谱线是在无正反馈电路偏置电压下测得的，此时该系统的协同率小于1（对应于图1(c)中的A点），因此无法产生极化激元激光。反馈电路的引入可减小腔模的等效耗散，而不改变耗散耦合强度，使得该系统的协同率达到并超过1成为可能。
图2. 线宽可被补偿的谐振腔与磁振子构成的耗散耦合系统
连续调节放大器的偏置电压，使得该耗散耦合系统的协同率恰好为一 （对应于图1(c)中的B点），满足完美FW-BIC和极化激元激光的阈值条件。此时测得的传输谱随磁场的变化如图3(e)所示。当两个模式未发生共振时，两个模式本身仍为耗散模式。但当两个模式处于共振时，耗散耦合产生的亚辐射极化激元的虚部变为0，从而引起了单模的极化激元激光。随着电压的继续增大，单模激光发生在两处有较大频率失谐的位置，然而在两个激光阈值点之间，极化激元的虚部会大于0，如图3(b)中的粉红色区域。此区域对应于磁振子极化激元的放大，如图3(f)所示，实验上测得了两个激光阈值点之间的非稳定谱线。其中一个激光阈值点处的谱线如图3(d)中的绿色曲线所示，其非洛伦兹线形说明了该极化激元激光发生在腔模和磁振子模式不共振的位置。相比于远离和接近阈值点得到的谱线 （图3(d)中的黑色和蓝色曲线），阈值处谱线线宽显著变窄的特性表明了极化激元激光的产生。图3(h)所示的红色曲线是在极化激元放大的频率区间得到的，其失稳线型谱线说明极化激元的增益使得系统进入了非稳区域。随着对腔模的进一步补偿，耗散耦合的强度可以变得同时大于两个模式的耗散，系统进入强耗散耦合区域 （对应于图1(c)中的C点）。在此区域两个激光阈值点进一步远离 （图3(c)），极化激元放大的频率区间随之拓宽，如图3(g)实验观测所示。
图3. 耗散耦合诱导的磁振子极化激元激光和放大的观测
上述结果表明，耗散耦合为实现低阈值的单模激光和完美FW-BIC提供了一种无需引入净增益模式的方案。该工作中构建的协同率连续可调的耗散耦合系统，为进一步基于耗散耦合拓展非厄米和非线性物理研究提供了新的技术视角与应用方向。
相关成果近日以“Single-Mode Magnon-Polariton Lasing and Amplification Controlled by Dissipative Coupling”为题发表在《Physical Review Letters》上（Phys. Rev. Lett. 135, 186704 (2025)。论文的第一作者为浙江大学物理学院博士生王梓琦（已毕业，现于香港浸会大学从事博士后研究），浙江大学物理学院的游建强教授和王逸璞研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及浙江省科技计划项目的支持。
文章信息: Z.-Q. Wang, Z.-Y. Wang, Y.-P. Wang, and J. Q. You, Single-Mode Magnon-Polariton Lasing and Amplification Controlled by Dissipative Coupling, Phys. Rev. Lett. 135, 186704 (2025).
