雙域光纖激光器的工作原理 光子和聲子雙域激光器的實驗裝置

專家視點

激光器是歷史上最偉大的發明之一。由于其無處不在的應用和深刻的社會影響，激光的概念已經擴展到其他物理領域，包括聲子激光器和原子激光器。通常，一個物理域中的激光是由另一個物理區域中的能量泵浦的。然而，迄今為止實現的所有激光器都只在一個物理域中產生了激光。在此，Wang等人提出了一個在兩個不同的物理域中產生激光的耦合振蕩器系統，由同一源泵浦?；陂L壽命彎曲聲波介導的前向互調受激布里淵散射，研究人員在雙模二氧化硅光纖環腔中同時產生光子和聲子激光。實驗表明，兩域同時產生的光子和聲子激光提高了聲子和光子激光器的輸出功率。這項研究可能在光/聲鑷、光學機械傳感、微波產生和量子信息處理中找到潛在的應用。此外，將帶來其他多域激光器和相關應用。該工作發表在Science Advances上。

激光器是歷史上最偉大的發明之一，它是將無線電頻率的電子振蕩器和微波頻率的微波激射器擴展到光學領域的產物。隨之而來的激光的巨大應用激發了這一概念向其他物理領域的新擴展，包括聲學（聲子）振蕩器和原子/物質波振蕩器。盡管術語激光傳統上是指基于受激發射概念的光學振蕩器，但由于其普遍性，它已被用于表示振蕩器，因此，術語聲子激光器和原子/物質激光器已被采用。通常，一個物理域中的激光是由另一個物理區域中的能量泵浦的，包括通過電流注入泵浦的半導體激光器以及通過使用光學激光器作為泵浦和光學泵浦的原子激光器的受激布里淵散射提供的能量泵浦的聲子激光器。然而，迄今為止實現的所有激光器都只在一個物理域中產生了激光。雖然耦合電子振蕩器被常規使用，耦合光子激光器也以陣列的形式構建，但涉及不同物理域的耦合振蕩器尚未得到實現。

在某些應用中，同時發射光子和聲子激光是有用的。例如，光學捕獲只能控制納米級的物體，而聲鑷可以控制亞毫米級的物體。通過同時使用光學和聲學激光器，可以為鑷子提供更好的范圍、精度和分辨率。結合超聲波和光子生物成像將在分辨率、穿透深度和對比度方面提高圖像質量?；诒闷?、光子激光器和聲子激光器之間的相互相干，也可以產生高質量、窄線寬的微波信號。由于控制雙域激光器放大的耦合波方程與光學參量放大過程的耦合波方程式相同，雙域激光器可以在兩個域中產生非經典態，如壓縮/糾纏態。光子和聲子的相關發射可以用于諸如通過檢測單個光子來預示單個聲子的應用。因此，雙域激光器有可能在量子信息處理和傳感領域找到應用。

先前在相關領域的工作包括聲子激光器。這是光學激光器的機械模擬，其中相干聲輻射（聲波）可以通過聲子的受激發射使用聲音放大過程來產生。聲波可以用聲子來描述，就像光波可以被認為是光子一樣。這種類型的器件能夠產生具有類似于光學激光器的特性的相干聲學振蕩，例如窄線寬和空間相干。高相干聲源可應用于高精度計量、傳感、聲學成像、無損檢測和微波光子信號處理等領域。自1996年首次提出聲子激光器概念以來，人們對其進行了廣泛的研究。近幾十年來，已經報道了幾個令人印象深刻的實驗。使用半導體超晶格實現了第一個聲子激光器在441 GHz的頻率下產生聲波的相干振蕩。

光力學是一種強大的工具，可以在光波和機械波之間產生耦合。它提供了利用光控制聲學聲子的可能性。例如，通過使用Mg+離子的激光泵浦，發生質心聲子的受激發射，提供運動的可飽和放大。最近，基于懸浮在光鑷中的二氧化硅納米球在真空下的振蕩，實現了一種聲子激光器。光學機械晶體中聲學拓撲絕緣體的特性與驅動激光的振幅和頻率有關。最近，人們設想了快速可重構的納米機械光子超材料。光-聲波耦合可用于奇偶時間對稱聲子激光器，并研究光機械系統中的奇偶時間對稱-破缺相位混沌。受激布里淵散射是一種強非線性效應，可以描述為光波和聲波之間的相互作用。聲學聲子可以通過使用光學泵浦的受激布里淵散射過程來放大?；隈詈衔⑶恢袃蓚€超級模之間的受激布里淵散射，在復合微腔中觀察到頻率為23 MHz的聲子激光作用，該耦合微腔的工作方式與兩級激光系統非常相似。在二氧化硅微球諧振器中，研究人員利用不同橫向光學模式之間的前向受激布里淵散射激發49-1400 MHz的回音壁機械諧振?；诘蜏叵?a href="http://www.qd573.com/tags/te/" target="_blank">TeO2晶體中的后向受激布里淵散射，研究人員還實現了類埃爾米特-高斯聲模的聲子激光器。另一個振蕩頻率為100 MHz的聲子激光器在多芯光纖中，在以芯間光學機械串擾為反饋機制的光電振蕩器結構中得到了實現。

01工作原理

雙域激光器在一個共同的（光纖環）腔中同時產生聲子和光子激光。低頻彎曲聲波通過雙模光纖中的基本LP01和高階LP11橫向光學模式之間的前向受激布里淵散射產生。事實上，在少模光纖中，后向和前向受激布里淵散射都會發生，但它們由兩種不同類型的聲波介導。對于后向和前向受激布里淵散射過程，能量和動量都必須守恒。后向受激布里淵散射的能量和動量守恒色散圖，如圖1B所示。藍線和紅線分別是前向和后向光波的色散曲線，綠線是聲模的色散曲線。散射的斯托克斯波在向后的方向上傳播，而聲波在向前的方向上。所發射的聲學模式是限制在纖芯區域內的縱向模式。它們的頻率約為10 GHz。在二氧化硅中，如此高頻的聲波具有高阻尼，聲子壽命僅約為10 ns，對應于60 μm的傳播長度。這些高阻尼的聲學聲子立即被材料吸收，無法產生有效的聲反饋。與此形成強烈對比的是，對于圖1C所示的前向受激布里淵散射，斯托克斯波和聲波都在前向方向上傳播。聲學彎曲模式通過兩種不同橫向光學模式之間的互調受激布里淵散射產生。在這種情況下，發射的聲子頻率可以下降到兆赫范圍。這些低頻聲子被限制在二氧化硅光纖的整個結構（纖芯和包層）中，具有更長的壽命，通常在10 ms的數量級。它們的傳播長度超過10米，這使得聲子也有可能發出激光。

圖1 雙域光纖激光器的工作原理。（A）雙模光纖環腔中基于前向互調受激布里淵散射的雙域（聲子和光子）激光器示意圖。光纖中（B）后向受激布里淵散射和（C）前向受激Brillouin散射的具有能量和動量守恒條件的色散圖。（D）在頻域中說明了同時產生聲子和聲子激光的工作原理。

雙模光纖環形腔中的聲子和光子激光器的示意圖，如圖1A所示。通過使用基模LP01作為泵浦，LP11斯托克斯光波和彎曲聲波在同一環形腔內被放大并共振振蕩。光波的相干振蕩增強了聲學聲子的增益，反之亦然，導致在兩個域中同時產生激光。研究人員使用10 m縮減包層雙模光纖實驗實現了這種雙域光纖激光器。隨著光泵浦功率的增加，在該裝置中觀察到四種運轉狀態。為了同時產生光子和聲子激光，斯托克斯光波和聲波的增益必須超過它們的損耗。在實驗中，前向互調受激布里淵散射發生在10 m雙模光纖內部且由于聲波的低損耗，LP11斯托克斯光波和彎曲聲波都被放大。這在后向受激布里淵散射過程中很難實現。LP11斯托克斯光波通過光纖耦合器部分耦合出腔。光纖耦合器的光功率分配比可通過調節光纖耦合器錐腰長度來獨立控制。在該實驗中，調節錐腰長度，使得LP01光泵主要在交叉狀態下運轉且LP11斯托克斯光波主要在棒狀態下運轉。從而促進泵浦功率注入和斯托克斯光波激射。此外，研究人員使用了兩種纖芯尺寸相同但包層尺寸不同的光纖。這種選擇打破了兩個光纖中聲學模式的退化，使得雙模光纖耦合器在空腔內的聲波的條形狀態下工作。當兩個光纖的聲波矢量之間的差足夠大時，該結構的功能類似于聲域中的不對稱Y結且聲場在整個耦合器中被限制在同一光纖中。這允許聲子能量停留在環腔內，以促進聲子激光發射。未來，另一種在聲域保持對稱但在光域打破對稱的耦合器可以用作聲子激光輸出耦合器。此外，一旦光子波和聲子波都滿足相位匹配條件，兩者的腔內功率將增加，直到飽和增益等于往返損耗。在穩定狀態下，彎曲聲波和斯托克斯光波在光纖環腔內共振振蕩。聲子激光功率被限制在腔內，而在耦合器的輸出處觀察到斯托克斯光學激光器。

如圖1D所示，在頻域中闡明了雙域激光器的工作原理。LP01泵浦激光器（藍色曲線）的中心波長為976 nm，3 dB線寬為1 MHz。它為LP11斯托克斯波（藍色虛線曲線）創建了頻率降頻的前向受激布里淵散射增益峰值。研究人員為聲子激光器選擇了最低階彎曲聲學模式，因為它沒有截止，因此，可以通過光纖耦合器區域傳播。LP11光學模式的環形雙模光纖腔的自由光譜范圍約為20 MHz（紅色箭頭），大于布里淵增益帶寬。為了滿足光學激光器的往返諧振條件，泵浦頻率被逐漸掃頻，以使增益峰值與LP11斯托克斯光波的縱向模式之一對準。聲學模式的自由光譜范圍小于200 Hz（綠色箭頭），因此，在受激布里淵散射增益帶寬內可以發現許多聲學模式。因此，相對容易滿足聲子激光器的往返共振條件。當光子和聲子都發射激光時，光學激光器將出現一個強峰值（紅色曲線）。光子激光器和泵浦之間的頻率差就是聲子激光器的頻率。與基于后向受激布里淵散射的光纖激光器不同，在光纖激光器中，與泵浦相比，激光線寬被壓縮，由于聲學聲子的超低耗散率，這種基于前向受激Brillouin散射的光子激光器具有與其泵浦相似的線寬。然而，聲子激光器確實具有超窄的發射線寬，這意味著斯托克斯光學激光器與泵浦極為相干。

02光子-聲子激光器

光子和聲子雙域激光器的實驗裝置，如圖2A所示。976 nm光纖耦合泵浦二極管的線寬為1 MHz，最大輸出功率為400 mW。熱電冷卻器控制器用于精確控制工作溫度，步長為0.001 °C?；１闷直话l射到外徑為80 μm的雙模光纖中，并通過雙模光纖耦合器完全耦合到外徑為60 μm的單模光纖環腔中。偏振控制器用于優化耦合到光纖環形腔中的泵浦功率。前向互調受激布里淵散射發生在10 m雙模光纖中，該光纖的涂層被剝離以防止聲波的吸收。LP11斯托克斯光波和順時針方向傳播的彎曲聲波都被放大。通過控制泵浦激光器的工作溫度來調諧泵浦頻率。LP11斯托克斯光子激光器與剩余的LP01泵浦一起通過雙模光纖耦合器部分耦合出去。需要注意的是，盡管光子激光器屬于不同的空間模式，但它在時域上仍然與泵浦高度相干。研究人員使用了一個低串擾的三模式選擇性光子燈來分離泵浦和斯托克斯波，并同時將光子激光器轉換回基模。研究人員測量了LP11斯托克斯光子激光器的光功率。此外，還利用電譜分析儀對泵浦和斯托克斯光子激光器之間的拍頻譜進行了表征。使用可變光學衰減器來衰減低于光電探測器飽和功率的輸入功率。

圖2 實驗裝置。（A）在10 m雙模光纖環形腔中，基于前向互調受激布里淵散射實現兩域同時聲子和光子激光的實驗裝置。（B）在雙域（聲子和光子）激光器中，測量了用作增益介質的減包層雙模光纖的折射率分布。（C）雙模光纖的顯微鏡橫截面圖像。（D）在λ=976 nm處測量了雙模光纖的三種引導光學模式的模式分布。

實驗中用于提供增益的光纖是一種減少包層的雙模光纖，由純二氧化硅包層和摻雜GeO2的二氧化硅芯制成。測量的光纖折射率分布，如圖2B所示，其截面顯微圖像，如圖2C所示。纖芯和包層直徑分別為6.8 μm和60 μm。它具有階躍折射率分布，數值孔徑為0.13，對應于2.83的光纖V數，確保它在工作波長下支持兩個線偏振模式。該雙模光纖在λ=976 nm處支撐的三個導模的測量強度分布，如圖2D所示。介導兩個光學模之間的前向受激布里淵散射的一階彎曲聲模的頻率為5.11 MHz。在二氧化硅中，聲波在該頻率下的固有阻尼率僅為36 Hz，其小于空腔的聲學自由頻譜范圍且低到足以形成離散聲學空腔模式。由于聲場延伸到整個包層中，減小雙模光纖包層的尺寸可以改善聲場和光場之間的重疊，從而增加受激布里淵散射增益系數。

圖3A顯示了測得的LP11光子激光輸出功率作為注入環形腔的泵浦功率的函數。插圖顯示了輸出功率，以對數為單位，作為注入環形腔的泵浦功率的函數?？梢郧宄乜吹絻蓚€閾值，分別對應于光子激光器和聲子激光器。斯托克斯光子激光器在聲子激光器之前開始發射激光，因為斯托克波的小信號增益更高。光子激光器的閾值泵浦功率為180 mW。然而，由于弱聲功率，輸出的光子激光功率很低，只有幾毫瓦。當泵浦功率增加到308 mW左右時，聲子激光器也開始產生激光。更強的聲場也增強了斯托克斯波的增益。光子激光輸出功率的斜率在該區域變得更陡。在367 mW的泵浦功率下，測得的最大光子激光功率為21.8 mW。測量的閾值泵浦功率和輸出激光功率與數值模擬結果一致。

圖3 實驗結果。（A）LP11斯托克斯光子激光器的測量光功率與注入的泵浦功率的關系，（插圖）對數刻度的光功率。（B）在每個泵浦功率下，泵浦和斯托克斯光子激光器之間的拍頻的RF功率。（C）在泵浦功率為（D）100 mW、（E）161 mW、（F）271 mW和（G）367 mW的情況下，線性標度的RF功率與泵浦功率的平方和拍頻頻譜，顏色與（A）和（B）中的圓圈匹配。

研究人員還研究了泵浦和斯托克斯光子激光器之間的拍頻的功率作為泵浦功率的函數，如圖3B中的對數線性標度所示。理論上，該拍頻的功率增加了與腔內聲子激光功率相同的數量級且它們具有完全相同的閾值泵浦功率。由于聲波振幅的直接測量將需要以兆赫幀率進行微觀成像，而這是不容易獲得的，因此，拍頻測量是直接測量的有效替代品。如圖所示，峰值功率有兩個跳躍，對應于光子和聲子激光器的閾值。當使用RF功率（垂直軸）與泵浦功率平方（水平軸）的線性標度重新繪制圖3B時，如圖3C所示，還觀察到與圖3A中的斜率相對應的四個斜率。

研究人員記錄了幾個泵浦功率水平下的拍頻譜，對應于圖3A和B中的圓圈?？梢杂^察到譜線形狀隨泵浦功率的演變。圖3D顯示，在接近100 mW的泵浦功率下，腔在自發布里淵散射區中工作，拍頻譜在5.4 MHz的中心頻率下具有約2.2 MHz的3-dB線寬。圖3E顯示，在161 mW附近的泵浦功率，腔開始主要在前向受激布里淵散射區工作，拍頻譜的3-dB線寬減小為1.6 MHz。圖3F顯示，在271 mW的泵浦功率下，腔在斯托克斯光子激射區工作，拍頻譜在5.6 MHz的中心頻率處顯示出一個強峰值，3-dB線寬約為26 kHz。圖3G顯示，在367 mW的泵浦功率下，腔在同時產生聲子和光子激光的狀態下工作，拍頻譜在5.2 MHz的中心頻率處顯示出更強的峰值，3-dB線寬僅為1.7 kHz，對應于聲子激光器的線寬。因此，與僅光子激光相比，雙疇激光導致聲子發射線寬縮小了一個數量級，這是使用現有聲學技術很難實現的。

聲子-光子激光器代表了一個反向耗散層次，其中聲發射線寬比泵浦激光線寬窄得多，而不是反向受激布里淵散射激光器的標準耗散層次。在低泵浦功率下，自發布里淵散射由許多縱向聲學模式介導。在受激布里淵散射和光子激光系統中，隨著聲腔精細度的增加，帶寬相應減小，導致聲子光譜變窄，從而導致泵浦斯托克斯拍頻線寬變窄。在同時光子-聲子激光系統中，泵浦斯托克斯拍頻音符線寬進一步減小，因為即使是少量的縱向聲模也可以激光。同時光子-聲子激光系統中的拍頻線寬仍然比聲學阻尼率寬，這表明聲子激光仍然是多模的。

03展望

雖然相干耦合激光器（如激光二極管陣列）是一種已建立的技術，但在同一腔中的不同物理域中耦合激光是一種尚未觀察到的物理現象。雙域激光器利用前向互調受激布里淵散射，實現在同一腔中同時產生光子和聲子激光所需的耦合。實驗中，這是一種環形激光器裝置中的10米縮減包層雙模光纖。測得的LP11斯托克斯光子激光功率大于20 mW，聲子激光線寬約為1 kHz。通過直接測量光子激光功率對泵浦功率的依賴性來觀察光子激光。由于還沒有高分辨率和高幀率（~5 MHz）相機，因此，沒有直接觀察到聲子激光功率。相反，通過測量泵浦和激光之間的拍頻信號的功率來估計聲子激光功率。然而，對與自發布里淵散射、受激布里淵散射、光子激光和光子-聲子激光相對應的四種激光運轉模式的觀察與雙域激光理論模型一致。

在不同物理域中的兩個相干耦合激光器的源具有許多應用的潛力。由于光和聲音具有不同的空間和時間特性且與材料的相互作用也不同，因此，可以通過各種方式利用它們的同時可用性。潛在的應用包括不同物理尺度的聲學和光學捕獲，物體光學機械和光學特性的同時光聲成像以及高質量微波信號的受控生成。它還可能導致未來光學力學的進步。量子信息處理中的設想應用包括光子-聲子糾纏態和壓縮態的產生以及兩個域中量子態的更通用相干控制和表征?？梢韵嘈?，這項工作將帶來其他多域激光器和相關應用。

審核編輯：湯梓紅