导读

近日，国防科技大学与湖南师范大学合作首次将注入锁定技术应用于非线性多色声子激光中，实现了声子激光及其高阶谐波强度、线宽、相干性和频率稳定性等性能的显著提升。2023年该合作团队在国际上首次实现了非线性多色声子激光，为声子激光频梳、深海相干声学探测和生物医学多模超声等颠覆性应用研究打开了大门。在此基础上，合作团队在声子激光实验系统中引入单频球面电极，实现了高阶声子激光谐波亮度、线宽、品质因数和频率稳定性等性能的巨大提升，更为重要的是，声子激光高阶谐波的二阶自相关性也得到进一步提升。该工作可以推广到基于其他物理体系产生的声子激光中，推动声子激光向实际应用迈出关键一步。

该成果以Giant enhancement of nonlinear harmonics of an optical-tweezer phonon laser为题发表于eLight。国防科技大学副教授肖光宗和助理研究员邝腾芳为共同第一作者，国防科技大学副教授肖光宗、教授罗晖和湖南师范大学教授景辉为共同通讯作者。本工作受到国家自然科学基金、湖南省重大科技攻关“揭榜挂帅”制项目、湖南省杰出青年基金项目等项目的支持。

声子激光：“激光家族”的新成员

激光是十九世纪六十年代最伟大的发明之一，被称为“最快的刀，最亮的光，最准的尺”，已经在社会生活的各个领域发挥着重要的作用，“激光”这一概念也逐渐向其他物理领域的新扩展。“声子”是固体振动的量子化表征。1932年，前苏联物理学家弗仑克尔首次正式将固体热振动的能量量子命名为“phonon”。声子和光子具有很多相似性，它们都是玻色子，都具有波粒二象性。所以，很自然地，在激光被发明的同时，科学家们预测了“声子激光”的概念。

声子激光（Phonon laser），是指声子通过受激散射实现相干放大。声子激光系统一般都包含相干放大和增益饱和两种机制。与光学激光类似，声子激光具有与光学激光类似的特性，包括从热振荡到相干振荡转变的明显阈值行为、线宽压窄和声子自相关性等。与同频的光子激光相比，声子激光具有更短的波长，且在不透明介质中的传输损耗低，因此在量子科学、水声工程和生命科学等领域具有独特优势，逐渐成为了国内外新兴的前沿热点。

2009年，美国加州理工学院的K. Vahala等人首次在囚禁离子系统中实现了声子激光，开启了声子激光研究的新篇章。截止目前，声子激光相继在离子阱、悬挂FP腔、回音壁微盘腔、光子晶体腔、半导体微腔和光镊等物理系统中产生，成为了“激光家族”非常活跃的新成员。

2023年，国防科技大学与湖南师范大学等单位合作在国际上首次实现了非线性多色声子激光，将声子激光的研究推进到了非线性区，为高阶非线性声子效应、量子声学等基础研究和声子激光频梳、水下相干声子激光传感与通讯等应用研究打开了大门。然而，目前实验室产生的声子激光的强度和品质因数通常都很低，这严重阻碍了它们在实际场景中的应用。因此，非线性声子激光的强度、线宽、品质因子和频率稳定性等性能的提高成为研究人员关注的重点。

注入锁定助力“最亮”声子激光

注入锁定，是指将一个基准参考信号注入到一个振荡器时，这个振荡器的振荡频率就被稳定在注入信号频率上，即与该信号同步，而振荡信号的相位和基准参考信号的相位之差保持恒定。

注入锁定现象在自然界中普遍存在。早在17世纪，Huygens注意到一个振荡器对另一个振荡器的振荡频率会发生影响。他解释了两台挂在同一面墙上的机械钟摆动会趋于一致的现象，说明通过墙壁传递的微小振动能把一台钟的振动频率锁定于另一台钟的频率上，这就是最初的注入锁定现象。1946年，美国物理学家Adler. Robert首次对磁控管注入锁定过程进行了理论研究，推导出了注入锁定的条件，即Adler锁定条件。电子学振荡器之间的注入锁定现象最早得到了全面研究。激光出现后，注入锁定技术成为获得高功率单模窄线宽激光光源的重要手段。

近日，国防科技大学与湖南师范大学合作,将注入锁定技术应用于非线性多色声子激光中，实现了迄今为止最“亮”的声子激光。实验系统示意图如图1所示，主要包括三个部分：双光束光镊系统、有源光学谐振腔和球面电极。双光束光镊与有源光学谐振腔构成有源悬浮腔光力系统，产生非线性多色声子激光，利用球面电极注入微弱的交流电场，用单一频率的注入信号实现对声子激光多阶谐波的同时锁定。

图1：电注入锁定非线性声子激光实验系统示意图

实验结果表明，施加与声子激光基频同频的微弱交流电信号后，非线性声子激光的多项性能参数达到了迄今为止的最高水平：基频声子激光及其高次谐波的亮度均提高了3个量级以上，线宽均压窄了5个量级以上，以二阶关联函数表征的声子相干度也得到了显著提高，高次谐波的品质因子首次提升到了 10⁶ 量级，达到介观尺度下的最高水平。更为重要的是，非线性声子激光的频率稳定性提高了5个量级，使得微球的捕获寿命从数分钟提高到了1小时以上。

图2：注入锁定前后声子激光性能对比

前景展望

这一工作首次将注入锁定技术应用于非线性声子激光，实现了声子激光及其高阶谐波强度、线宽、相干性和频率稳定性等性能的显著提升，推动声子激光向实际应用迈出了关键一步，同时也为提高基于其他物理体系的声子激光性能提供了重要参考。本工作实现的高性能非线性声子激光达到了超声波频段，未来可应用于超声材料测试、生物医学诊断和水下相干声学探测等领域。同时，得益于有源悬浮腔光力系统的非线性光力特征，可以将微球受到的极弱力信号转变为声子激光频移信号，有望突破目前的极弱力精密测量极限。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-024-00064-8