專家視點

激光器是歷史上最偉大的發(fā)明之一。由于其無處不在的應(yīng)用和深刻的社會影響，激光的概念已經(jīng)擴(kuò)展到其他物理領(lǐng)域，包括聲子激光器和原子激光器。通常，一個物理域中的激光是由另一個物理區(qū)域中的能量泵浦的。然而，迄今為止實現(xiàn)的所有激光器都只在一個物理域中產(chǎn)生了激光。在此，Wang等人提出了一個在兩個不同的物理域中產(chǎn)生激光的耦合振蕩器系統(tǒng)，由同一源泵浦。基于長壽命彎曲聲波介導(dǎo)的前向互調(diào)受激布里淵散射，研究人員在雙模二氧化硅光纖環(huán)腔中同時產(chǎn)生光子和聲子激光。實驗表明，兩域同時產(chǎn)生的光子和聲子激光提高了聲子和光子激光器的輸出功率。這項研究可能在光/聲鑷、光學(xué)機(jī)械傳感、微波產(chǎn)生和量子信息處理中找到潛在的應(yīng)用。此外，將帶來其他多域激光器和相關(guān)應(yīng)用。該工作發(fā)表在Science Advances上。

激光器是歷史上最偉大的發(fā)明之一，它是將無線電頻率的電子振蕩器和微波頻率的微波激射器擴(kuò)展到光學(xué)領(lǐng)域的產(chǎn)物。隨之而來的激光的巨大應(yīng)用激發(fā)了這一概念向其他物理領(lǐng)域的新擴(kuò)展，包括聲學(xué)（聲子）振蕩器和原子/物質(zhì)波振蕩器。盡管術(shù)語激光傳統(tǒng)上是指基于受激發(fā)射概念的光學(xué)振蕩器，但由于其普遍性，它已被用于表示振蕩器，因此，術(shù)語聲子激光器和原子/物質(zhì)激光器已被采用。通常，一個物理域中的激光是由另一個物理區(qū)域中的能量泵浦的，包括通過電流注入泵浦的半導(dǎo)體激光器以及通過使用光學(xué)激光器作為泵浦和光學(xué)泵浦的原子激光器的受激布里淵散射提供的能量泵浦的聲子激光器。然而，迄今為止實現(xiàn)的所有激光器都只在一個物理域中產(chǎn)生了激光。雖然耦合電子振蕩器被常規(guī)使用，耦合光子激光器也以陣列的形式構(gòu)建，但涉及不同物理域的耦合振蕩器尚未得到實現(xiàn)。

在某些應(yīng)用中，同時發(fā)射光子和聲子激光是有用的。例如，光學(xué)捕獲只能控制納米級的物體，而聲鑷可以控制亞毫米級的物體。通過同時使用光學(xué)和聲學(xué)激光器，可以為鑷子提供更好的范圍、精度和分辨率。結(jié)合超聲波和光子生物成像將在分辨率、穿透深度和對比度方面提高圖像質(zhì)量。基于泵浦、光子激光器和聲子激光器之間的相互相干，也可以產(chǎn)生高質(zhì)量、窄線寬的微波信號。由于控制雙域激光器放大的耦合波方程與光學(xué)參量放大過程的耦合波方程式相同，雙域激光器可以在兩個域中產(chǎn)生非經(jīng)典態(tài)，如壓縮/糾纏態(tài)。光子和聲子的相關(guān)發(fā)射可以用于諸如通過檢測單個光子來預(yù)示單個聲子的應(yīng)用。因此，雙域激光器有可能在量子信息處理和傳感領(lǐng)域找到應(yīng)用。

先前在相關(guān)領(lǐng)域的工作包括聲子激光器。這是光學(xué)激光器的機(jī)械模擬，其中相干聲輻射（聲波）可以通過聲子的受激發(fā)射使用聲音放大過程來產(chǎn)生。聲波可以用聲子來描述，就像光波可以被認(rèn)為是光子一樣。這種類型的器件能夠產(chǎn)生具有類似于光學(xué)激光器的特性的相干聲學(xué)振蕩，例如窄線寬和空間相干。高相干聲源可應(yīng)用于高精度計量、傳感、聲學(xué)成像、無損檢測和微波光子信號處理等領(lǐng)域。自1996年首次提出聲子激光器概念以來，人們對其進(jìn)行了廣泛的研究。近幾十年來，已經(jīng)報道了幾個令人印象深刻的實驗。使用半導(dǎo)體超晶格實現(xiàn)了第一個聲子激光器在441 GHz的頻率下產(chǎn)生聲波的相干振蕩。

光力學(xué)是一種強(qiáng)大的工具，可以在光波和機(jī)械波之間產(chǎn)生耦合。它提供了利用光控制聲學(xué)聲子的可能性。例如，通過使用Mg+離子的激光泵浦，發(fā)生質(zhì)心聲子的受激發(fā)射，提供運動的可飽和放大。最近，基于懸浮在光鑷中的二氧化硅納米球在真空下的振蕩，實現(xiàn)了一種聲子激光器。光學(xué)機(jī)械晶體中聲學(xué)拓?fù)浣^緣體的特性與驅(qū)動激光的振幅和頻率有關(guān)。最近，人們設(shè)想了快速可重構(gòu)的納米機(jī)械光子超材料。光-聲波耦合可用于奇偶時間對稱聲子激光器，并研究光機(jī)械系統(tǒng)中的奇偶時間對稱-破缺相位混沌。受激布里淵散射是一種強(qiáng)非線性效應(yīng)，可以描述為光波和聲波之間的相互作用。聲學(xué)聲子可以通過使用光學(xué)泵浦的受激布里淵散射過程來放大。基于耦合微腔中兩個超級模之間的受激布里淵散射，在復(fù)合微腔中觀察到頻率為23 MHz的聲子激光作用，該耦合微腔的工作方式與兩級激光系統(tǒng)非常相似。在二氧化硅微球諧振器中，研究人員利用不同橫向光學(xué)模式之間的前向受激布里淵散射激發(fā)49-1400 MHz的回音壁機(jī)械諧振。基于低溫下TeO2晶體中的后向受激布里淵散射，研究人員還實現(xiàn)了類埃爾米特-高斯聲模的聲子激光器。另一個振蕩頻率為100 MHz的聲子激光器在多芯光纖中，在以芯間光學(xué)機(jī)械串?dāng)_為反饋機(jī)制的光電振蕩器結(jié)構(gòu)中得到了實現(xiàn)。

01工作原理

雙域激光器在一個共同的（光纖環(huán)）腔中同時產(chǎn)生聲子和光子激光。低頻彎曲聲波通過雙模光纖中的基本LP01和高階LP11橫向光學(xué)模式之間的前向受激布里淵散射產(chǎn)生。事實上，在少模光纖中，后向和前向受激布里淵散射都會發(fā)生，但它們由兩種不同類型的聲波介導(dǎo)。對于后向和前向受激布里淵散射過程，能量和動量都必須守恒。后向受激布里淵散射的能量和動量守恒色散圖，如圖1B所示。藍(lán)線和紅線分別是前向和后向光波的色散曲線，綠線是聲模的色散曲線。散射的斯托克斯波在向后的方向上傳播，而聲波在向前的方向上。所發(fā)射的聲學(xué)模式是限制在纖芯區(qū)域內(nèi)的縱向模式。它們的頻率約為10 GHz。在二氧化硅中，如此高頻的聲波具有高阻尼，聲子壽命僅約為10 ns，對應(yīng)于60 μm的傳播長度。這些高阻尼的聲學(xué)聲子立即被材料吸收，無法產(chǎn)生有效的聲反饋。與此形成強(qiáng)烈對比的是，對于圖1C所示的前向受激布里淵散射，斯托克斯波和聲波都在前向方向上傳播。聲學(xué)彎曲模式通過兩種不同橫向光學(xué)模式之間的互調(diào)受激布里淵散射產(chǎn)生。在這種情況下，發(fā)射的聲子頻率可以下降到兆赫范圍。這些低頻聲子被限制在二氧化硅光纖的整個結(jié)構(gòu)（纖芯和包層）中，具有更長的壽命，通常在10 ms的數(shù)量級。它們的傳播長度超過10米，這使得聲子也有可能發(fā)出激光。

圖1 雙域光纖激光器的工作原理。（A）雙模光纖環(huán)腔中基于前向互調(diào)受激布里淵散射的雙域（聲子和光子）激光器示意圖。光纖中（B）后向受激布里淵散射和（C）前向受激Brillouin散射的具有能量和動量守恒條件的色散圖。（D）在頻域中說明了同時產(chǎn)生聲子和聲子激光的工作原理。

雙模光纖環(huán)形腔中的聲子和光子激光器的示意圖，如圖1A所示。通過使用基模LP01作為泵浦，LP11斯托克斯光波和彎曲聲波在同一環(huán)形腔內(nèi)被放大并共振振蕩。光波的相干振蕩增強(qiáng)了聲學(xué)聲子的增益，反之亦然，導(dǎo)致在兩個域中同時產(chǎn)生激光。研究人員使用10 m縮減包層雙模光纖實驗實現(xiàn)了這種雙域光纖激光器。隨著光泵浦功率的增加，在該裝置中觀察到四種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了同時產(chǎn)生光子和聲子激光，斯托克斯光波和聲波的增益必須超過它們的損耗。在實驗中，前向互調(diào)受激布里淵散射發(fā)生在10 m雙模光纖內(nèi)部且由于聲波的低損耗，LP11斯托克斯光波和彎曲聲波都被放大。這在后向受激布里淵散射過程中很難實現(xiàn)。LP11斯托克斯光波通過光纖耦合器部分耦合出腔。光纖耦合器的光功率分配比可通過調(diào)節(jié)光纖耦合器錐腰長度來獨立控制。在該實驗中，調(diào)節(jié)錐腰長度，使得LP01光泵主要在交叉狀態(tài)下運轉(zhuǎn)且LP11斯托克斯光波主要在棒狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。從而促進(jìn)泵浦功率注入和斯托克斯光波激射。此外，研究人員使用了兩種纖芯尺寸相同但包層尺寸不同的光纖。這種選擇打破了兩個光纖中聲學(xué)模式的退化，使得雙模光纖耦合器在空腔內(nèi)的聲波的條形狀態(tài)下工作。當(dāng)兩個光纖的聲波矢量之間的差足夠大時，該結(jié)構(gòu)的功能類似于聲域中的不對稱Y結(jié)且聲場在整個耦合器中被限制在同一光纖中。這允許聲子能量停留在環(huán)腔內(nèi)，以促進(jìn)聲子激光發(fā)射。未來，另一種在聲域保持對稱但在光域打破對稱的耦合器可以用作聲子激光輸出耦合器。此外，一旦光子波和聲子波都滿足相位匹配條件，兩者的腔內(nèi)功率將增加，直到飽和增益等于往返損耗。在穩(wěn)定狀態(tài)下，彎曲聲波和斯托克斯光波在光纖環(huán)腔內(nèi)共振振蕩。聲子激光功率被限制在腔內(nèi)，而在耦合器的輸出處觀察到斯托克斯光學(xué)激光器。

如圖1D所示，在頻域中闡明了雙域激光器的工作原理。LP01泵浦激光器（藍(lán)色曲線）的中心波長為976 nm，3 dB線寬為1 MHz。它為LP11斯托克斯波（藍(lán)色虛線曲線）創(chuàng)建了頻率降頻的前向受激布里淵散射增益峰值。研究人員為聲子激光器選擇了最低階彎曲聲學(xué)模式，因為它沒有截止，因此，可以通過光纖耦合器區(qū)域傳播。LP11光學(xué)模式的環(huán)形雙模光纖腔的自由光譜范圍約為20 MHz（紅色箭頭），大于布里淵增益帶寬。為了滿足光學(xué)激光器的往返諧振條件，泵浦頻率被逐漸掃頻，以使增益峰值與LP11斯托克斯光波的縱向模式之一對準(zhǔn)。聲學(xué)模式的自由光譜范圍小于200 Hz（綠色箭頭），因此，在受激布里淵散射增益帶寬內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)許多聲學(xué)模式。因此，相對容易滿足聲子激光器的往返共振條件。當(dāng)光子和聲子都發(fā)射激光時，光學(xué)激光器將出現(xiàn)一個強(qiáng)峰值（紅色曲線）。光子激光器和泵浦之間的頻率差就是聲子激光器的頻率。與基于后向受激布里淵散射的光纖激光器不同，在光纖激光器中，與泵浦相比，激光線寬被壓縮，由于聲學(xué)聲子的超低耗散率，這種基于前向受激Brillouin散射的光子激光器具有與其泵浦相似的線寬。然而，聲子激光器確實具有超窄的發(fā)射線寬，這意味著斯托克斯光學(xué)激光器與泵浦極為相干。

02光子-聲子激光器

光子和聲子雙域激光器的實驗裝置，如圖2A所示。976 nm光纖耦合泵浦二極管的線寬為1 MHz，最大輸出功率為400 mW。熱電冷卻器控制器用于精確控制工作溫度，步長為0.001 °C。基模泵浦被發(fā)射到外徑為80 μm的雙模光纖中，并通過雙模光纖耦合器完全耦合到外徑為60 μm的單模光纖環(huán)腔中。偏振控制器用于優(yōu)化耦合到光纖環(huán)形腔中的泵浦功率。前向互調(diào)受激布里淵散射發(fā)生在10 m雙模光纖中，該光纖的涂層被剝離以防止聲波的吸收。LP11斯托克斯光波和順時針方向傳播的彎曲聲波都被放大。通過控制泵浦激光器的工作溫度來調(diào)諧泵浦頻率。LP11斯托克斯光子激光器與剩余的LP01泵浦一起通過雙模光纖耦合器部分耦合出去。需要注意的是，盡管光子激光器屬于不同的空間模式，但它在時域上仍然與泵浦高度相干。研究人員使用了一個低串?dāng)_的三模式選擇性光子燈來分離泵浦和斯托克斯波，并同時將光子激光器轉(zhuǎn)換回基模。研究人員測量了LP11斯托克斯光子激光器的光功率。此外，還利用電譜分析儀對泵浦和斯托克斯光子激光器之間的拍頻譜進(jìn)行了表征。使用可變光學(xué)衰減器來衰減低于光電探測器飽和功率的輸入功率。

圖2 實驗裝置。（A）在10 m雙模光纖環(huán)形腔中，基于前向互調(diào)受激布里淵散射實現(xiàn)兩域同時聲子和光子激光的實驗裝置。（B）在雙域（聲子和光子）激光器中，測量了用作增益介質(zhì)的減包層雙模光纖的折射率分布。（C）雙模光纖的顯微鏡橫截面圖像。（D）在λ=976 nm處測量了雙模光纖的三種引導(dǎo)光學(xué)模式的模式分布。

實驗中用于提供增益的光纖是一種減少包層的雙模光纖，由純二氧化硅包層和摻雜GeO2的二氧化硅芯制成。測量的光纖折射率分布，如圖2B所示，其截面顯微圖像，如圖2C所示。纖芯和包層直徑分別為6.8 μm和60 μm。它具有階躍折射率分布，數(shù)值孔徑為0.13，對應(yīng)于2.83的光纖V數(shù)，確保它在工作波長下支持兩個線偏振模式。該雙模光纖在λ=976 nm處支撐的三個導(dǎo)模的測量強(qiáng)度分布，如圖2D所示。介導(dǎo)兩個光學(xué)模之間的前向受激布里淵散射的一階彎曲聲模的頻率為5.11 MHz。在二氧化硅中，聲波在該頻率下的固有阻尼率僅為36 Hz，其小于空腔的聲學(xué)自由頻譜范圍且低到足以形成離散聲學(xué)空腔模式。由于聲場延伸到整個包層中，減小雙模光纖包層的尺寸可以改善聲場和光場之間的重疊，從而增加受激布里淵散射增益系數(shù)。

圖3A顯示了測得的LP11光子激光輸出功率作為注入環(huán)形腔的泵浦功率的函數(shù)。插圖顯示了輸出功率，以對數(shù)為單位，作為注入環(huán)形腔的泵浦功率的函數(shù)。可以清楚地看到兩個閾值，分別對應(yīng)于光子激光器和聲子激光器。斯托克斯光子激光器在聲子激光器之前開始發(fā)射激光，因為斯托克波的小信號增益更高。光子激光器的閾值泵浦功率為180 mW。然而，由于弱聲功率，輸出的光子激光功率很低，只有幾毫瓦。當(dāng)泵浦功率增加到308 mW左右時，聲子激光器也開始產(chǎn)生激光。更強(qiáng)的聲場也增強(qiáng)了斯托克斯波的增益。光子激光輸出功率的斜率在該區(qū)域變得更陡。在367 mW的泵浦功率下，測得的最大光子激光功率為21.8 mW。測量的閾值泵浦功率和輸出激光功率與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖3 實驗結(jié)果。（A）LP11斯托克斯光子激光器的測量光功率與注入的泵浦功率的關(guān)系，（插圖）對數(shù)刻度的光功率。（B）在每個泵浦功率下，泵浦和斯托克斯光子激光器之間的拍頻的RF功率。（C）在泵浦功率為（D）100 mW、（E）161 mW、（F）271 mW和（G）367 mW的情況下，線性標(biāo)度的RF功率與泵浦功率的平方和拍頻頻譜，顏色與（A）和（B）中的圓圈匹配。

研究人員還研究了泵浦和斯托克斯光子激光器之間的拍頻的功率作為泵浦功率的函數(shù)，如圖3B中的對數(shù)線性標(biāo)度所示。理論上，該拍頻的功率增加了與腔內(nèi)聲子激光功率相同的數(shù)量級且它們具有完全相同的閾值泵浦功率。由于聲波振幅的直接測量將需要以兆赫幀率進(jìn)行微觀成像，而這是不容易獲得的，因此，拍頻測量是直接測量的有效替代品。如圖所示，峰值功率有兩個跳躍，對應(yīng)于光子和聲子激光器的閾值。當(dāng)使用RF功率（垂直軸）與泵浦功率平方（水平軸）的線性標(biāo)度重新繪制圖3B時，如圖3C所示，還觀察到與圖3A中的斜率相對應(yīng)的四個斜率。

研究人員記錄了幾個泵浦功率水平下的拍頻譜，對應(yīng)于圖3A和B中的圓圈。可以觀察到譜線形狀隨泵浦功率的演變。圖3D顯示，在接近100 mW的泵浦功率下，腔在自發(fā)布里淵散射區(qū)中工作，拍頻譜在5.4 MHz的中心頻率下具有約2.2 MHz的3-dB線寬。圖3E顯示，在161 mW附近的泵浦功率，腔開始主要在前向受激布里淵散射區(qū)工作，拍頻譜的3-dB線寬減小為1.6 MHz。圖3F顯示，在271 mW的泵浦功率下，腔在斯托克斯光子激射區(qū)工作，拍頻譜在5.6 MHz的中心頻率處顯示出一個強(qiáng)峰值，3-dB線寬約為26 kHz。圖3G顯示，在367 mW的泵浦功率下，腔在同時產(chǎn)生聲子和光子激光的狀態(tài)下工作，拍頻譜在5.2 MHz的中心頻率處顯示出更強(qiáng)的峰值，3-dB線寬僅為1.7 kHz，對應(yīng)于聲子激光器的線寬。因此，與僅光子激光相比，雙疇激光導(dǎo)致聲子發(fā)射線寬縮小了一個數(shù)量級，這是使用現(xiàn)有聲學(xué)技術(shù)很難實現(xiàn)的。

聲子-光子激光器代表了一個反向耗散層次，其中聲發(fā)射線寬比泵浦激光線寬窄得多，而不是反向受激布里淵散射激光器的標(biāo)準(zhǔn)耗散層次。在低泵浦功率下，自發(fā)布里淵散射由許多縱向聲學(xué)模式介導(dǎo)。在受激布里淵散射和光子激光系統(tǒng)中，隨著聲腔精細(xì)度的增加，帶寬相應(yīng)減小，導(dǎo)致聲子光譜變窄，從而導(dǎo)致泵浦斯托克斯拍頻線寬變窄。在同時光子-聲子激光系統(tǒng)中，泵浦斯托克斯拍頻音符線寬進(jìn)一步減小，因為即使是少量的縱向聲模也可以激光。同時光子-聲子激光系統(tǒng)中的拍頻線寬仍然比聲學(xué)阻尼率寬，這表明聲子激光仍然是多模的。

03展望

雖然相干耦合激光器（如激光二極管陣列）是一種已建立的技術(shù)，但在同一腔中的不同物理域中耦合激光是一種尚未觀察到的物理現(xiàn)象。雙域激光器利用前向互調(diào)受激布里淵散射，實現(xiàn)在同一腔中同時產(chǎn)生光子和聲子激光所需的耦合。實驗中，這是一種環(huán)形激光器裝置中的10米縮減包層雙模光纖。測得的LP11斯托克斯光子激光功率大于20 mW，聲子激光線寬約為1 kHz。通過直接測量光子激光功率對泵浦功率的依賴性來觀察光子激光。由于還沒有高分辨率和高幀率（~5 MHz）相機(jī)，因此，沒有直接觀察到聲子激光功率。相反，通過測量泵浦和激光之間的拍頻信號的功率來估計聲子激光功率。然而，對與自發(fā)布里淵散射、受激布里淵散射、光子激光和光子-聲子激光相對應(yīng)的四種激光運轉(zhuǎn)模式的觀察與雙域激光理論模型一致。

在不同物理域中的兩個相干耦合激光器的源具有許多應(yīng)用的潛力。由于光和聲音具有不同的空間和時間特性且與材料的相互作用也不同，因此，可以通過各種方式利用它們的同時可用性。潛在的應(yīng)用包括不同物理尺度的聲學(xué)和光學(xué)捕獲，物體光學(xué)機(jī)械和光學(xué)特性的同時光聲成像以及高質(zhì)量微波信號的受控生成。它還可能導(dǎo)致未來光學(xué)力學(xué)的進(jìn)步。量子信息處理中的設(shè)想應(yīng)用包括光子-聲子糾纏態(tài)和壓縮態(tài)的產(chǎn)生以及兩個域中量子態(tài)的更通用相干控制和表征。可以相信，這項工作將帶來其他多域激光器和相關(guān)應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅