科學家打造最“亮”聲子激光，基頻聲子激光提高3個量級

“在被eLight期刊錄用前，我們把論文掛在預印本網站arXiv上，就被New Scientist關注並做了專題報道，稱‘實現了迄今爲止最亮的聲子激光，在深海探測與生物醫學成像等領域有重要的應用’。”對於自己和合作者的新成果，來自湖南師範大學的景輝教授表示。

圖｜景輝（來源：景輝）

近日，湖南師範大學與國防科技大學合作將注入鎖定技術應用於非線性多色聲子激光中，多項性能參數達到了迄今爲止的最高水平，實現了迄今爲止最“亮”的聲子激光。這項工作標誌着中國已經在聲子激光研究領域走到了世界前列。

（來源：eLight）

具體來說：

基頻聲子激光及其高次諧波的亮度均提高了 3 個量級以上，線寬均壓窄了 5 個量級以上。

以二階關聯函數表徵的聲子相干度也得到了顯著提高，高次諧波的品質因子首次提升到了 1e6 量級，達到介觀尺度下的最高水平。

更爲重要的是，非線性聲子激光的頻率穩定性提高了 5 個量級，使得微球的捕獲壽命從數分鐘提高到了 1 小時以上。

本次論文的審稿人加拿大維多利亞大學電氣與計算機工程系魯文·戈登（Reuven Gordon）教授指出：“該工作展示了聲子激光領域的顯著進展，預期會對懸浮光力學領域產生重大影響。”

美國羅徹斯特大學 M. 巴塔查里亞（M. Bhattacharya）教授在Light: Science & Applications上專文點評稱：“這項工作是聲子激光走向實用化的一個里程碑。”

高性能非線性聲子激光的預期應用主要有兩個方面：

一是利用有源懸浮腔光力系統的非線性光力特徵，可以將微球受到的極弱力信號轉變爲聲子激光頻移信號，有望突破現有的極弱力精密測量極限，由此能夠拓展到加速度傳感、相對重力傳感和極弱電場傳感等方面。

二是作爲相干聲波源，非線性聲子激光達到了超聲波頻段，可應用於水下相干聲學測距、生物醫學超聲成像等方面。

由於非線性聲子激光具有強相干性和多色特性，因此可通過相位檢測、差分檢測等技術實現更高的分辨率。

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從聲子激光到非線性聲子激光

在 19 世紀 60 年代，激光被譽爲是最偉大的發明之一，並被稱爲是“最快的刀，最亮的光，最準的尺”。

隨着它逐漸在社會生活各個領域發揮作用，“激光”這一概念也逐漸向其他物理領域擴展。

“聲子”是固體振動的量子化表徵。1932 年，前蘇聯物理學家雅科夫·弗侖克爾（Яков Френкель）首次正式將固體熱振動的能量量子命名爲“phonon”。

聲子和光子具有很多相似性，它們都是玻色子，都具有波粒二象性。所以，很自然地在激光被髮明的同時，科學家們也預測了“聲子激光”的概念。

聲子激光也相繼在離子阱、懸掛法布里-珀羅諧振腔、迴音壁微盤腔、光子晶體腔、半導體微腔和光鑷等物理系統中產生，成爲了“激光家族”非常活躍的新成員。

2023 年，國防科技大學與湖南師範大學等單位合作在國際上首次實現了非線性多色聲子激光，將聲子激光的研究推進到了非線性區，該成果入選了“2023 中國光學十大進展”。

這爲高階非線性聲子效應、量子聲學等基礎研究和聲子激光頻梳、水下相干聲子激光傳感與通訊等應用研究打開了大門。

然而，目前實驗室產生的聲子激光的強度和品質因數通常都很低，這嚴重阻礙了它們在實際場景中的應用。

於是，他們確定了下一個研究目標：要想實現高性能的聲子激光，首先得提高聲子激光的穩定性。

（來源：eLight）

一旦微球逃逸，就得重頭再來

景輝表示，注入鎖定現象在自然界中普遍存在。早在 17 世紀，荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）注意到一個振盪器對另一個振盪器的振盪頻率會發生影響。

惠更斯解釋了兩臺掛在同一面牆上的機械鐘擺動會趨於一致的現象，並指出通過牆壁傳遞的微小振動能把一臺鐘的振動頻率鎖定於另一臺鐘的頻率上，這就是最初的注入鎖定現象。

1946 年，美國物理學家羅伯特·阿德勒（Robert Adler）首次對磁控管注入鎖定過程進行了理論研究，推導出了注入鎖定的條件，即 Adler 鎖定條件。這讓電子學振盪器之間的注入鎖定現象得到了全面研究。

激光出現之後，注入鎖定技術成爲獲得高功率單模窄線寬激光光源的重要手段。而研究人員則從中得到啓發，將注入鎖定技術應用到非線性多色聲子激光中。

景輝表示，雖然注入鎖定是一項傳統的技術，但爲了把它應用到非線性聲子激光中，國防科技大學肖光宗教授和他帶領的實驗團隊卻歷盡艱辛，表現出了頑強的“戰鬥力”。

首先，他們利用有源光學腔激勵懸浮微球，使其從熱運動轉變爲相干振盪，即產生聲子激光。

在有源腔產生的非線性光力作用下，聲子激光產生高階諧波，從而形成了非線性多色聲子激光。

然後，由於懸浮光力系統中被囚禁的微球通常帶有電荷，他們在微球附近放置一個直徑 2mm 的球面電極。

在電極上施加適當頻率的正弦信號後，微球會受到調製電場的力作用，即聲子激光中被注入了一個窄線寬、高頻率的穩定性信號。

當電注入信號的頻率合適時，原有聲子激光被注入信號牽引，線寬壓窄、幅值增強、頻率穩定性增加，從而實現更強更穩的聲子激光。

剛開始，他們並沒有觀察到注入鎖定的現象，經過分析可能是兩方面的原因：一是電場信號強度不夠，二是聲子激光的穩定性太弱，以至於抖動超過了鎖定範圍。

後續，他們嘗試了不同尺寸的電極和更強的電場信號，並升級了實驗系統的機械件，最後才觀察到明顯的實驗現象。

景輝說：“實驗看似簡單，步驟卻十分繁多。每次進入實驗室，面對滿桌的設備和儀器，國防科技大學的研究人員都得深吸一口氣，調整好心態，知道今天的任務將會是一次漫長的戰鬥。”

實驗的第一步是捕獲微球，微球的尺寸僅 2 微米，不到頭髮直徑的十分之一，使用特殊的光學設備將它們捕獲在光場中需要極大的耐心和精確的調整。

經過此前多年的技術積累，他們已經掌握了單個微球重複起支的技術。但在微球成功捕獲之後，還遠遠沒有結束，這只是“萬里長征”的第一步。

緊接着還有光鑷對準、捕獲光切換、三維位移調節、泵浦光調節、電信號注入、數據採集等等二十多個步驟，而且這些步驟都需要確保微球不會逃逸。

一旦微球逃逸，儘管實驗進行到最後一步，也需要重頭再來。因此，每次實驗過程都要屏息凝神，彷彿稍微大一點的呼吸聲都會打亂整個操作。

其中，捕獲光束的切換便是微球極易逃逸的步驟，需要將被捕獲的微球從一套光鑷系統轉移到另一套光鑷系統，而光鑷可捕獲微球的範圍僅幾微米（不到頭髮直徑的十分之一）。

期間，微球還在不斷受到空氣分子的熱碰撞，其難度不亞於空間站與航天飛船的交會對接。

“實驗步驟極其複雜，每一個環節都環環相扣，稍有不慎便前功盡棄。每一次實驗的完成，幾乎都像是在經歷一場心理戰。”研究人員表示。

很多次，看着時間一點點流逝，失敗後的重頭再來都讓成員感到無比沮喪和疲憊。

雖然失敗常常伴隨左右，但每次成功獲取數據的那一刻，所有的重複與耐心都得到了回報。

不斷失敗、不斷再來，重複是實驗的常態。實驗裝置具有幾十個調整架，上百個旋鈕，一次次的彎腰調節，研究人員的腰和腿因勞累開始不自覺地顫抖，嚴重影響了實驗調節精度和實驗進度。

後來，他們在中國天眼 FAST（500 米口徑球面射電望遠鏡，Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）中找到了靈感。

FAST 使用 6 根鋼索連接支撐塔形成大型的“威亞”結構，確保重達 30 噸的饋源懸吊在半空中自由移動。

受其啓發，他們發明了實驗平臺專用的“小型威亞”，將工業用的安全腰帶兩端固定在實驗平臺的滑軌上，承託身體重量的同時，確保能夠在實驗臺上來回移動。

這一低成本的改動爲研究隊員帶來了巨大的便利，實驗也得以順利地推進。

日前，相關論文以《光鑷聲子激光非線性諧波的巨幅增強》（Giant enhancement of nonlinear harmonics of an optical-tweezer phonon laser）爲題發在eLight（IF 27.2）。

國防科技大學肖光宗副教授和鄺騰芳助理研究員是共同一作，國防科技大學肖光宗副教授、羅暉教授和湖南師範大學教授景輝擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：eLight）

研究人員表示，聲子激光是量子物理非常前沿的研究方向。

與同頻的光子激光相比，聲子激光具有更短的波長，且在不透明介質中的傳輸損耗低，因此在量子科學、水聲工程和生命科學等領域具有獨特優勢。

因此，未來他們將堅定不移地走好聲子激光從基礎研究到應用研究的每一步，比如實現非線性聲子激光中不同模式之間的關聯特性、更高 Q 值聲子激光的產生以及聲子激光傳感等。

參考資料：

1. Tengfang Kuang, Ran Huang, Wei Xiong, Yunlan Zuo, Xiang Han, Franco Nori, Cheng-Wei Qiu, Hui Luo1, Hui Jing, Guangzong Xiao. Nonlinear multi-frequency phonon lasers with active levitated optomechanics.Nature Physics, 19, 414 (2023).

2.Xiao, G., Kuang, T., He, Y.et al. Giant enhancement of nonlinear harmonics of an optical-tweezer phonon laser.eLight4, 17 (2024). https://doi.org/10.1186/s43593-024-00064-8

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