经典轨道如何在波动模式中的可观测空间特征，是混沌物理研究中的一个重要问题。非对称光学微腔是研究经典混沌动力学及其波动对应的典型平台，其中规则与混沌运动可以共存，并在光学共振模式中形成不同的“动力学指纹”；然而，对于非对称微腔中特征轨道支持的模式空间形貌始终难以直接观测。近日，6163银河线路检测中心肖云峰、曹启韬团队发展了基于多光子荧光的微腔光场成像方法，实现了混沌微腔中共振模式的亚微米分辨直接成像，为建立经典射线动力学与实空间模式形貌之间的直接联系提供了新的实验途径。

混沌是自然界中广泛存在的物理现象。在经典系统中，微小的初始差异可能被不断放大，最终产生复杂而难以预测的运动轨迹。当波动效应参与其中，不同经典轨迹之间还会发生干涉，由此产生量子疤痕、动力学隧穿等丰富的量子混沌现象。其中，波函数在实空间中的分布形貌是不同现象的核心特征之一。非对称光学微腔是研究经典混沌及其波动对应的重要实验平台，围绕定向出射、混沌演化、非厄米模式耦合以及疤痕态等现象已开展了大量研究。然而长期以来，由于微腔内部光场局域于亚波长尺度且无法从远场直接获取其空间分布，共振模式空间形貌始终难以直接成像观测，仅依赖透射光谱和远场出射等信息进行间接推断。

针对这一问题，研究团队发展了基于多光子荧光的光场精密成像方法。在氧化硅非对称微盘腔表面沉积约10纳米厚的掺铒离子荧光薄膜，将原本束缚在微腔内部、难以直接探测的近红外光场转化为可见荧光，从而实现了腔内共振模式的亚微米分辨成像。

图1：（a）混沌微腔中共振模式对的产生机理。（b）多光子荧光光场精密成像的原理示意

利用这一方法，研究团队直接观察到具有相同空间周期、但分布彼此交错的成对共振模式。其中，岛模式局域在稳定周期轨道附近，而类疤痕模式则来源于混沌区域的局域化。高分辨成像使不同模式对应的相空间动力学轨道能够被直接识别，建立了实空间模式形貌与经典射线动力学之间的对应关系。

图2：实验中系统性模场成像（a）与对应的仿真结果（b）

在此基础上，团队通过调控光进入微腔时的耦合条件，实现了不同模式家族的选择性激发。进一步结合光谱与模场成像，还直接观测到了动力学隧穿过程中由模式耦合产生的空间杂化，并与共振频率的反交叉相互印证。

该工作建立了经典射线动力学、共振光谱与实空间模式形貌之间的直接联系，为研究混沌波系统中的局域化、动力学隧穿和光输运提供了新的实验手段，也为复杂光学模式的识别与调控提供了新的思路。

相关研究成果以“Orbit-resolved imaging of paired resonances in a wave-chaotic microcavity”为题在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。论文第一作者为6163银河线路检测中心2023级博士生郑若楷与曹启韬副研究员，通讯作者为6163银河线路检测中心肖云峰教授。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部基础学科和交叉学科突破计划、新基石研究员项目等支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/p4qp-wnhr