论文标题：Polarization-based control of phonon laser action in a Parity Time-symmetric optomechanical system

期刊：Communications Physics

作者：Bao Wang, Zeng-Xing Liu, Xiao Jia, Hao Xiong & Ying Wu

发表时间：2018/08/08

数字识别码：10.1038/s42005-018-0042-3

原文链接：https://www.nature.com/articles/s42005-018-0042-3?utm_source=Other_website&utm_medium=Website_links&utm_content=RenLi-MixedBrand-multijournal-Multidisciplinary-China&utm_campaign=ORG_USG_JRCN_RL_article_promotion_sciencenet_Sep_2ed

近年来，声子激光以其在高精度无损测量和成像技术方面的优异表现而被人们广泛关注。研究表明，在耦合的光力系统（通过光学微腔实现光与机械振子的相互耦合）中，两个耦合的光学模式可以对角化为两个光学超模（劈裂宽度与声子的能量相匹配）。这两个光学超模可以形成一个类似于光学激光的二能级系统。通过光学驱动可以使二能级系统形成布居数反转，当输入微腔中的光场的功率达到一定的阈值时，可以形成相干的声学输出放大，即声子激光。具体表现为声学场输出功率的突然提高，以及线宽的突然变窄。另外，在PT（宇称时间）对称的光力系统中发现了极低阈值（甚至无阈值）的声子激光。

图1：（a）矢量PT对称光力系统的原理图，腔 表示一个增益腔，增益系数是 ，腔 表示一个衰减腔并且与一个机械振子相连。腔1被一束线性偏振光驱动。（b）两个光学微腔分别包含两个正交的模式 和 。线性偏振光与竖直模式之间的夹角是 。（c）两个光学超模与一个振子模式偶合在一起，可以形成一个二能级的声子激光能级图。

在之前的研究中，声子激光的产生和调控都是通过调节泵浦光的强度来实现的。最近在《通讯-物理学》上发表的文章Polarization-based control of phonon laser action in a Parity Time-symmetric optomechanical system中，华中科技大学物理学院吴颖课题组在PT对称光力系统的基础上引入光场的偏振自由度并研究其中的声子激光现象（如图1所示），发现该系统具有低功耗和易调控双重优点，尤其是通过改变泵浦光的偏振方向可以连续的调节声子激光的强度和阈值。

图2：（左）声子增益随腔的衰减和增益变化；（右）声子激光的阈值随偏振角度变化。

相比于之前的研究，该系统提供了有效控制声子激光特性的全新自由度。一方面，由于PT对称性，该体系中存在一个实现声子激光的最优参数区域（如图2左所示）。借助PT对称系统的EP（奇异）点，可以有效将声子激光的阈值降低两个数量级以上，甚至可以实现零阈值。另一方面，由于引入光场的偏振自由度，我们可以通过调节泵浦光的偏振方向有效地控制声子激光的强度和阈值（如图2右所示），从而实现将光学偏振信息转化为声子数信息。这两方面的结合对声子激光器件的应用起到了十分重要的作用，如实现低功率可调的声子激光器和光声转化器等。

摘要：Realizing a convenient way to control the phonon laser action is of great importance and may find applications in phonon laser devices engineering. Here we propose a vector parity time (PT)-symmetric optomechanical system to study the phonon laser action. We find that there is a specific region for the optimum mechanical gain appearing in parameter areas of the cavity gain and loss. The intensity of phonon laser action can be well controlled by adjusting the polarization of the pump field. The threshold value of phonon laser action manifests as a function relationship of the polarization direction θ. Furthermore, an ultralow threshold (even if threshold less) can be obtained around the exceptional point with the gain–loss balance. Our results indicate that the intensity and threshold of the phonon laser action can be continuously adjusted by only tuning the photon polarization, which provides a new degree of freedom to realize phonon laser regulation.

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期刊介绍：Communications Physics is an open access journal from Nature Research publishing high-quality research, reviews and commentary in all areas of physics. Research papers published by the journal represent significant advances bringing new insight to a specialized area of research.

（来源：科学网）