今日Nature光子学: 回音壁的奇异点，杨兰组实现可调声子激光

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《自然-光子学》杂志今日在线刊登了来自美国圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）杨兰教授研究组巧妙利用耦合光机械微腔中的奇异点附近的特殊物理性质，实现线宽可调的超低阈值声子激光的工作。报道相关工作的文章题为“Operating a phonon laser at the exceptional point ”的文章。

图片来自网易

声子激光是光学激光的声子版本，可以在具有光机械效应的耦合光学微腔中实现。在这类系统中，通常可以找到两个耦合的光学模式，这两个耦合光学模式会形成两个光学超模，这两个光学超模类似于光学激光中的增益介质可以看成一个模拟的二能级系统，这个模拟二能级系统和声学场相互作用可以形成相干输出产生声子激光。图1中给出了通常的光学激光与声学激光原理的比较，图1a,b中给出的通常的光学激光表明，作为激光模式的光学场与光学腔中的增益介质二能级系统相互作用，形成相干的光学输出即为光学激光。声子激光的机理可完全类比光学激光（参见图1c,d），在声子激光中，声学模式取代光学激光中的光学模式，光学超模组成的等效二能级系统代替光学激光中的增益介质中的二能级系统，通过声学场与等效二能级系统的相互作用，可以形成相干的声学输出，即为声子激光。

图1

该项工作用一对玻璃制成的耦合的回音壁模式的微型环芯腔实现声子激光。其中“回音壁”一词源于北京天坛的一个著名建筑物。这一建筑是直径60米左右的一个圆形围墙，当人面朝围墙说话时，声音会沿围墙外壁传播，并被共振放大，在围墙另一侧的人就可以听到说话声。回音壁模式光学腔是“回音壁”的光学版本，通常由玻璃等透光材料做成圆形结构，当光线进入时由于全反射会沿着光学腔的边缘传播并共振增强，因此可以长时间地被束缚在腔里。实验中，两个回音壁模式的微型环芯腔相互靠近（参见图2a），各自的光场会有部分泄露出微腔而进入另一个微腔，从而使得两个微腔中的光学模式相互耦合形成光学超模，其中一个回音壁模式微腔因为光场引起的光机械效应发生振动，振动模式与光学超模互相交换能量形成声子激光。

图2

研究人员在实验中用表面镀有金属铬的针尖靠近其中一个回音壁模式微腔（参见图2b），由于金属铬在实验所用的1550nm光学波段光场具有很强的光吸收，因此通过调节镀铬针尖与回音壁模式微腔的距离，可以在较大范围内调节回音壁模式微腔的光耗散率。实验中用到的耦合光机械微腔存在一个特殊的相变点，称为奇异点（Exceptional point），通过利用镀铬针尖对回音壁模式微腔光耗散率的大范围调节，可以使得系统穿过此奇异点。此类含奇异点的系统在近年来引起了研究人员的广泛关注，奇异点的特殊物理性质在光学波导、光学微腔、光子晶体、微波电路、耦合机械振子、腔量子电动系统、二维自旋系统等不同物理平台上已经得以实验验证，并成功应用于构造光子声子二极管、调控微纳光器件中的光吸收与辐射、构造微纳传感器等。

由于实验用到的耦合光机械系统在奇异点附近会出现很多新奇的物理效应如光机械耦合的有效增强、光机械非线性的增强、以及系统拓扑性质的变化，当研究人员在奇异点附近调控声子激光时，在实验上观测到一系列新奇的物理特性。首先，在奇异点附近观测到了声子激光阈值的突然降低。在实验中，当输入微腔中的光场的功率达到一定的阈值时，才能看到输出声学场的相干行为，即进入声子激光区，具体表现为声学场输出功率的突然提高，以及输出声学场线宽的突然变窄。从物理上讲，这是为了保证输入能量足够强使得作为增益介质的光学超模可以实现粒子数反转。这一阈值即为声子激光的阈值。通常，声子激光的阈值是较高的，这限制了声子激光的应用。研究人员在实验中发现在奇异点附近调节声子激光时，可以有效将声子激光的阈值降低两个数量级以上，这为声子激光在微弱信号处理、乃至在量子器件方面的应用提供了新思路。

其次，在奇异点附近看到了声子激光线宽的大范围变化，这使得我们在奇异点附近可以构造线宽大范围可调的相干声学信号探测器。这一特性在微纳传感领域将至关重要。事实上，将声子激光用于传感的一个主要需要解决的问题是声子激光的可调谐性，以使得声子激光作为相干声学信号探测器可以与被测对象有较好的响应。以超声探测为例，通常待探测的超声源带宽较宽且所属的频带不确定，需要探测器响应带宽在较大范围内可调，我们所实现的可调声子激光为超声信号的探测提供了可能。

该项工作由美国圣路易斯华盛顿大学、清华大学、维也纳技术大学、日本理化学研究所等单位共同完成。该文章的通讯作者为杨兰教授。杨兰教授是美国圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，美国光学学会会士，曾获得美国自然科学基金会CAREER奖、美国总统青年科学家奖等奖项。其带领的微纳光子学实验室近年来在微纳粒子探测、非厄米光学、光机械等领域取得了一系列重要进展，有关成果发表在《自然》，《科学》，《自然-光子学》，《自然-物理学》，《自然-纳米科技》，《自然通讯》，《美国国家科学院院刊》等期刊。

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