“在被eLight期刊录用前，我们把论文挂在预印本网站arXiv上，就被New Scientist关注并做了专题报道，称‘实现了迄今为止最亮的声子激光，在深海探测与生物医学成像等领域有重要的应用’。”对于自己和合作者的新成果，来自湖南师范大学的景辉教授表示。
近日，湖南师范大学与国防科技大学合作将注入锁定技术应用于非线性多色声子激光中，多项性能参数达到了迄今为止的最高水平，实现了迄今为止最“亮”的声子激光。这项工作标志着中国已经在声子激光研究领域走到了世界前列。
具体来说：
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 1e6 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。
本次论文的审稿人加拿大维多利亚大学电气与计算机工程系鲁文·戈登（Reuven Gordon）教授指出：“该工作展示了声子激光领域的显著进展，预期会对悬浮光力学领域产生重大影响。”
美国罗彻斯特大学 M. 巴塔查里亚（M. Bhattacharya）教授在Light: Science & Applications上专文点评称：“这项工作是声子激光走向实用化的一个里程碑。”
高性能非线性声子激光的预期应用主要有两个方面：
一是利用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，有望突破现有的极弱力精密测量极限，由此能够拓展到加速度传感、相对重力传感和极弱电场传感等方面。
二是作为相干声波源，非线性声子激光达到了超声波频段，可应用于水下相干声学测距、生物医学超声成像等方面。
由于非线性声子激光具有强相干性和多色特性，因此可通过相位检测、差分检测等技术实现更高的分辨率。
从声子激光到非线性声子激光
在 19 世纪 60 年代，激光被誉为是最伟大的发明之一，并被称为是“最快的刀，最亮的光，最准的尺”。
随着它逐渐在社会生活各个领域发挥作用，“激光”这一概念也逐渐向其他物理领域扩展。
“声子”是固体振动的量子化表征。1932 年，前苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（Яков Френкель）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，科学家们也预测了“声子激光”的概念。
声子激光也相继在离子阱、悬挂法布里-珀罗谐振腔、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，该成果入选了“2023 中国光学十大进展”。
这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。
于是，他们确定了下一个研究目标：要想实现高性能的声子激光，首先得提高声子激光的稳定性。
一旦微球逃逸，就得重头再来
景辉表示，注入锁定现象在自然界中普遍存在。早在 17 世纪，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan 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。
惠更斯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，并指出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，美国物理学家罗伯特·阿德勒（Robert Adler）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。这让电子学振荡器之间的注入锁定现象得到了全面研究。
激光出现之后，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。而研究人员则从中得到启发，将注入锁定技术应用到非线性多色声子激光中。
景辉表示，虽然注入锁定是一项传统的技术，但为了把它应用到非线性声子激光中，国防科技大学肖光宗教授和他带领的实验团队却历尽艰辛，表现出了顽强的“战斗力”。
首先，他们利用有源光学腔激励悬浮微球，使其从热运动转变为相干振荡，即产生声子激光。
在有源腔产生的非线性光力作用下，声子激光产生高阶谐波，从而形成了非线性多色声子激光。
然后，由于悬浮光力系统中被囚禁的微球通常带有电荷，他们在微球附近放置一个直径 2mm 的球面电极。
在电极上施加适当频率的正弦信号后，微球会受到调制电场的力作用，即声子激光中被注入了一个窄线宽、高频率的稳定性信号。
当电注入信号的频率合适时，原有声子激光被注入信号牵引，线宽压窄、幅值增强、频率稳定性增加，从而实现更强更稳的声子激光。
刚开始，他们并没有观察到注入锁定的现象，经过分析可能是两方面的原因：一是电场信号强度不够，二是声子激光的稳定性太弱，以至于抖动超过了锁定范围。
后续，他们尝试了不同尺寸的电极和更强的电场信号，并升级了实验系统的机械件，最后才观察到明显的实验现象。
景辉说：“实验看似简单，步骤却十分繁多。每次进入实验室，面对满桌的设备和仪器，国防科技大学的研究人员都得深吸一口气，调整好心态，知道今天的任务将会是一次漫长的战斗。”
实验的第一步是捕获微球，微球的尺寸仅 2 微米，不到头发直径的十分之一，使用特殊的光学设备将它们捕获在光场中需要极大的耐心和精确的调整。
经过此前多年的技术积累，他们已经掌握了单个微球重复起支的技术。但在微球成功捕获之后，还远远没有结束，这只是“万里长征”的第一步。
紧接着还有光镊对准、捕获光切换、三维位移调节、泵浦光调节、电信号注入、数据采集等等二十多个步骤，而且这些步骤都需要确保微球不会逃逸。
一旦微球逃逸，尽管实验进行到最后一步，也需要重头再来。因此，每次实验过程都要屏息凝神，仿佛稍微大一点的呼吸声都会打乱整个操作。
其中，捕获光束的切换便是微球极易逃逸的步骤，需要将被捕获的微球从一套光镊系统转移到另一套光镊系统，而光镊可捕获微球的范围仅几微米（不到头发直径的十分之一）。
期间，微球还在不断受到空气分子的热碰撞，其难度不亚于空间站与航天飞船的交会对接。
“实验步骤极其复杂，每一个环节都环环相扣，稍有不慎便前功尽弃。每一次实验的完成，几乎都像是在经历一场心理战。”研究人员表示。
很多次，看着时间一点点流逝，失败后的重头再来都让成员感到无比沮丧和疲惫。
虽然失败常常伴随左右，但每次成功获取数据的那一刻，所有的重复与耐心都得到了回报。
不断失败、不断再来，重复是实验的常态。实验装置具有几十个调整架，上百个旋钮，一次次的弯腰调节，研究人员的腰和腿因劳累开始不自觉地颤抖，严重影响了实验调节精度和实验进度。
后来，他们在中国天眼 FAST（500 米口径球面射电望远镜，Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）中找到了灵感。
FAST 使用 6 根钢索连接支撑塔形成大型的“威亚”结构，确保重达 30 吨的馈源悬吊在半空中自由移动。
受其启发，他们发明了实验平台专用的“小型威亚”，将工业用的安全腰带两端固定在实验平台的滑轨上，承托身体重量的同时，确保能够在实验台上来回移动。
这一低成本的改动为研究队员带来了巨大的便利，实验也得以顺利地推进。
日前，相关论文以《光镊声子激光非线性谐波的巨幅增强》（Giant enhancement of nonlinear harmonics of an optical-tweezer phonon laser）为题发在eLight（IF 27.2）。
国防科技大学肖光宗副教授和邝腾芳助理研究员是共同一作，国防科技大学肖光宗副教授、罗晖教授和湖南师范大学教授景辉担任共同通讯作者。
研究人员表示，声子激光是量子物理非常前沿的研究方向。
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。
因此，未来他们将坚定不移地走好声子激光从基础研究到应用研究的每一步，比如实现非线性声子激光中不同模式之间的关联特性、更高 Q 值声子激光的产生以及声子激光传感等。
参考资料：
1. Tengfang Kuang, Ran Huang, Wei Xiong, Yunlan Zuo, Xiang Han, Franco Nori, Cheng-Wei Qiu, Hui Luo1, Hui Jing, Guangzong Xiao. Nonlinear multi-frequency phonon lasers with active levitated optomechanics.Nature Physics, 19, 414 (2023).
2.Xiao, G., Kuang, T., He, Y.et al. Giant enhancement of nonlinear harmonics of an optical-tweezer phonon laser.eLight4, 17 (2024). https://doi.org/10.1186/s43593-024-00064-8
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