激光是一項(xiàng)重大的歷史發(fā)明，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了無處不在的影響。這個(gè)概念也有跨學(xué)科的應(yīng)用，如聲子激光器和原子激光器。一個(gè)物理域中的激光可以被另一個(gè)物理域中的能量泵浦。然而，到目前為止，所有在實(shí)踐中演示的激光器都只在一個(gè)物理領(lǐng)域激光。

在Science Advances 上發(fā)表的一篇新報(bào)告中，一個(gè)研究小組展示了光子和聲子激光的同時(shí)過程。雙域激光器具有多種應(yīng)用，如光鑷和聲鑷，用于進(jìn)行機(jī)械傳感，產(chǎn)生微波和執(zhí)行量子處理。該團(tuán)隊(duì)希望這次演示能為多域激光相關(guān)應(yīng)用開辟新的道路。

圖：雙域光纖激光器的工作原理。(A) TMF環(huán)形腔中基于前向互調(diào)SBS的雙域(聲子和光子)激光器的示意圖。光纖中(B)后向SBS和(C)前向SBS的能量和動(dòng)量守恒條件下的色散圖。(D) 在頻域中說明了同時(shí)產(chǎn)生聲子和聲子激光的工作原理。來源：Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

研制雙域激光器

激光是電子振蕩器在射頻和微波激射器在光學(xué)區(qū)域的微頻率的延伸。激光有巨大的應(yīng)用與新擴(kuò)展的概念跨領(lǐng)域，如聲學(xué)振蕩器，也被稱為sasers，和振蕩器在原子或物質(zhì)波。激光的概念傳統(tǒng)上描述了基于受激發(fā)射的光學(xué)振蕩器，盡管聲子激光和原子/物質(zhì)激光也很常見。

在一些應(yīng)用中，光子和聲子同時(shí)激光的過程是有用的。其中包括亞毫米級(jí)聲學(xué)鑷子的開發(fā)。結(jié)合超聲和光子生物成像，提高成像質(zhì)量和雙域激光的范圍跨越量子信息處理和傳感?，F(xiàn)有的演示表明，斯托克斯光學(xué)聲波是聲子激光的副產(chǎn)物。在這項(xiàng)工作中，Wang和他的同事們開發(fā)了一個(gè)耦合振蕩器系統(tǒng)，該系統(tǒng)從同一源泵浦的兩個(gè)不同的物理域中發(fā)出激光，以顯示雙域并發(fā)光子和聲子激光如何增強(qiáng)光子和聲子激光器的輸出功率。

圖：實(shí)驗(yàn)設(shè)置。(A)在10 m TMF環(huán)形腔中演示基于前向多模態(tài)SBS的雙域同步聲子和光子激光的實(shí)驗(yàn)裝置。(B)在雙域(聲子和光子)激光中用作增益介質(zhì)的減包層TMF的折射率分布。(C) TMF的顯微鏡橫切面圖像。(D) λ = 976 nm處TMF三種模式的實(shí)測(cè)模廓圖。來源:Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

原理

該團(tuán)隊(duì)利用正向受激布里淵散射產(chǎn)生低頻彎曲聲波;雙模光纖中光子和聲子的相互作用。低頻聲子被限制在硅纖維中，壽命長10毫秒。傳播長度約為10米，聲子也能產(chǎn)生激光。在實(shí)驗(yàn)裝置中，光波的相干振蕩增強(qiáng)聲子的增益，反之亦然，從而在兩個(gè)域中產(chǎn)生激光。

該團(tuán)隊(duì)指出，通過增加光泵功率來產(chǎn)生光子和聲子激光，該設(shè)備的四種功能狀態(tài)，其中斯托克斯光波和聲波的增益必須超過它們的損失。實(shí)驗(yàn)人員設(shè)計(jì)了一種方法，允許聲子能量在環(huán)形腔內(nèi)，以促進(jìn)聲子激光。當(dāng)聲子激光功率被限制在腔內(nèi)時(shí)，在耦合器的輸出端可以看到斯托克斯光學(xué)激光。

實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一個(gè)976 nm的光纖耦合泵浦二極管，最大輸出功率為400 mW。他們使用熱電冷卻器來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能溫度。將泵浦發(fā)射成雙模光纖耦合成外徑環(huán)腔。

科學(xué)家們使用了一種由純二氧化硅包層和氧化鍺摻雜二氧化硅芯制成的簡化包層雙模光纖。由于聲場擴(kuò)展到整個(gè)包層，減小雙模光纖包層尺寸的過程改善了聲光場之間的重疊，從而增加了受激布里淵散射增益系數(shù)。

激光功率

該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了聲子激光輸出功率作為注入環(huán)形腔的泵浦功率的函數(shù)，從而獲得了對(duì)應(yīng)于光子激光和聲子激光的兩個(gè)閾值。光子激光器的閾值泵浦功率為180 mW。當(dāng)他們將泵浦功率增加到308 mW時(shí)，聲子激光器也開始發(fā)出激光。

測(cè)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。光子-聲子激光器具有倒耗散層次結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)相比，聲發(fā)射線寬比泵浦激光線寬窄得多。

前景

通過這種方式，研究人員展示了不同物理域的兩個(gè)相干耦合激光器如何執(zhí)行各種實(shí)際任務(wù)。光和聲具有不同的時(shí)空特性，與材料的相互作用也不同;因此，可以對(duì)它們的可用性進(jìn)行不同的探索。這種現(xiàn)象耦合激光在兩個(gè)不同的物理領(lǐng)域在同一腔是研究中的第一個(gè)結(jié)果。這個(gè)結(jié)果超越了已經(jīng)建立的方法，包括相干耦合激光器，如激光二極管陣列。

雙域激光器探索了前向多模態(tài)受激布里淵散射，實(shí)現(xiàn)了同一腔內(nèi)光子和聲子同步激光的耦合。由于缺乏高分辨率和高幀率的相機(jī)，研究小組在這項(xiàng)研究中沒有直接觀察聲子激光功率?？茖W(xué)家們觀察了幾種與自發(fā)布里淵散射、光子激光和光子-聲子激光相關(guān)的激光功能，這與雙域激光的理論模型一致。這一結(jié)果將引領(lǐng)光學(xué)力學(xué)的未來發(fā)展，并將引領(lǐng)多域激光器和相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展。