前沿进展｜非线性声子激光：光子增益，助力多色声子“齐舞”

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，国防科技大学与湖南师范大学、郑州轻工业大学、日本理化所和新加坡国立大学等单位合作，在悬浮腔光力系统中引入光学增益，提高了腔内光子寿命，增强了光-机械耗散耦合强度，采用微米尺度粒子产生了声子激光非线性机械谐波，并测量了声子激光阈值和零时延高阶关联函数。据了解，这是国际上首次在实验上产生非线性声子激光。

相关成果以“Nonlinear multi-frequency phonon lasers with active levitated optomechanics”为题，于2023年1月19日发表在Nature Physics上。

2023 | 前沿进展

02 研究背景

声子激光，作为光子激光的对应物，预期未来将对传感、通信和信息处理带来颠覆性影响，已经成为国际上量子物理领域的研究热点。近年来，科学家们已经通过使用半导体超晶格、纳米磁体、囚禁离子和纳米机械或纳米机电器件产生了基频声子激光，但多倍频声子激光尚未见相关报道。

在悬浮腔光力系统中，机械振子与外部环境热噪声和振动理论上全部隔绝，为非线性物理、统计物理、量子光学等基础物理研究提供了极具魅力的广阔舞台，具有重要科学意义和应用价值的研究成果不断涌现。

2019年，美国罗切斯特大学Robert M. Pettit等人在色散耦合悬浮光力系统中，首次采用纳米球实现了声子激光，为光子-声子相互作用、声子梳、机械振子量子态制备和调控等基础研究和声子激光探测研究打开了大门。然而，这套系统需要复杂的反馈控制电路来提供非线性冷却和线性加热，并且也只观察到基频声子激光。因此，如何产生高品质的非线性声子激光，成为物理学前沿的一个重要课题。

前期该研究团队提出并建立了一种具备全光三维独立自反馈控制能力的双光束内腔光镊，取得了截至目前公开报道的最高束缚效率。【Optics Express, 2021,29(19):29936，Optics Letters,2021,46 (21):5328，Optics Express,2020, 28(24): 35734，Optics Express,2019, 27(25): 36653】双光束内腔光镊本质上是一种有源悬浮腔光力系统，为光力学研究和声子激光研究提供了独特的物理平台。

03 研究创新点

研究人员在双光束内腔光镊基础上建立了有源悬浮腔光力实验系统，包括有源光学腔（红色标识）和双光束光镊（绿色标识）两部分（图1a，1b）。由于增益介质的引入，光学腔的品质因子（Q值）由10⁶提高至10⁹，腔内光子寿命也增加至1 μs，与无源光学腔相比，微球基频振动强度提高了3个量级，非线性机械谐波也自发出现，从而产生了非线性声子激光（图1c）。

图1 实验概览（a）有源悬浮腔光力实验系统示意图；（b）有源悬浮腔光力实验系统照片；（c）有源光学腔和无源光学腔内声子的功率谱

实验研究表明，有源腔悬浮光力系统中相干声子存在明显的阈值行为：当腔内激光功率低于阈值功率时，声子数满足玻尔兹曼分布，处于热声子态；当腔内激光功率超过阈值功率后，声子数满足高斯分布，处于相干声子态，声子线宽明显压窄，声子数也随着腔内激光功率增大而增多直至饱和（图2a）。

通过实验该团队还发现，在腔内激光功率超过阈值功率后，微球振动幅度也明显增大，与腔内没有增益介质时相比微球位移的功率谱线宽压窄了约40倍（图2b）。他们还首次在悬浮光力系统中观测到了倍频声子激光，测量了基频和倍频声子的零时延自相关函数。

结果表明，当腔内激光功率低于阈值功率时，声子的零时延自相关函数满足g^(k)(0)=k!，表明声子处于热态；当腔内激光功率低于阈值功率后，声子零时延自相关函数逐渐减小并接近于1，表明声子处于相干态（图2c, 2d）。

图2 声子激光非线性谐波实验结果。（a）基频声子数与腔内激光功率的关系；（b）微球的位移时序信号（上）、基频声子线宽随着腔内激光功率的变化（下）；（c）倍频声子数的阈值行为；（d）声子数零时延自相关函数随着腔内激光功率的变化

研究人员指出，上述声子激光非线性机械谐波的产生、主要是由于光学增益增强了有源悬浮腔光力系统中本身就存在的光力与微球位移之间非线性关系，这与无源腔内微球受到的线性光力显著不同（图3a）。有源悬浮腔光力系统中，当微球尺寸小于1.2 μm时，其位移功率谱上只有基频信号；随着微球尺寸逐渐增大，声子激光开始出现，微球位移功率谱上逐渐出现了多倍频信号（图3b-3d）。

图3 光学增益引起的二倍频和三倍频声子激光。（a）有源腔和无源腔内光力-位移曲线;（b）不同尺寸被捕获微球位移信号的功率谱；(c)有源腔和无源腔内被捕获微球位移的二倍频信号附近的功率谱；（d）有源腔和无源腔内三倍频声子数随着腔内功率的变化

04 总结与展望

该团队报道了基于有源悬浮腔光力系统的非线性声子激光。与已经报道的基于悬浮光力系统的声子激光相比，该工作无需任何复杂的外部反馈控制环路，而只是通过引入光学增益，采用微米尺度微粒实现了基频声子激光，基频功率谱增强了3个数量级，线宽压缩了40倍。通过测量声子的自相关性，观测到了声子激光的激光阈值行为和声子从热态到相干态的相变过程。

更有趣的是，研究人员观察到了由光增益增强的非线性光力引起的非线性声子激光，将声子激光推进到非线性机制。这种非线性机械谐波并不依赖于机械振子特定的材料或形状，使许多令人兴奋的应用变成可能，如声子频梳、高精度量子测量和非经典态制备。

该工作还丰富了光力学的科学内涵，首次在悬浮腔光力系统中采用微米尺度颗粒产生声子激光，也是首次开展耗散耦合型悬浮腔光力系统实验，为大尺度微粒（比如大气微颗粒物、活性细胞等）量子态制备和相干控制等更广泛的潜在基础研究迈出了重要一步。

论文的共同第一作者为国防科技大学讲师邝腾芳和湖南师范大学博士生黄然，共同通讯作者是国防科技大学肖光宗副教授、罗晖教授和湖南师范大学景辉教授、国立新加坡大学仇成伟教授，其中肖光宗主持了这项工作。该研究得到国家自然科学基金、湖南省科技创新计划、国防科技大学自主科研创新基金等项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01857-9

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编辑 | 方紫璇

END

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