日前，美國圣路易斯華盛頓大學楊蘭教授研究組巧妙利用耦合光機械微腔中的奇異點附近的特殊物理性質(zhì)，實現(xiàn)線寬可調(diào)的超低閾值聲子激光。
聲子激光是光學激光的聲子版本，可以在具有光機械效應的耦合光學微腔中實現(xiàn)。該項工作用一對玻璃制成的耦合的回音壁模式的微型環(huán)芯腔實現(xiàn)聲子激光。
研究人員在實驗中用表面鍍有金屬鉻的針尖靠近其中一個回音壁模式微腔，由于金屬鉻在實驗所用的1550nm光學波段光場具有很強的光吸收，因此通過調(diào)節(jié)鍍鉻針尖與回音壁模式微腔的距離，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)回音壁模式微腔的光耗散率。實驗中用到的耦合光機械微腔存在一個特殊的相變點，稱為奇異點（Exceptional point），通過利用鍍鉻針尖對回音壁模式微腔光耗散率的大范圍調(diào)節(jié)，可以使得系統(tǒng)穿過此奇異點。
由于實驗用到的耦合光機械系統(tǒng)在奇異點附近會出現(xiàn)很多新奇的物理效應如光機械耦合的有效增強、光機械非線性的增強、以及系統(tǒng)拓撲性質(zhì)的變化，當研究人員在奇異點附近調(diào)控聲子激光時，在實驗上觀測到一系列新奇的物理特性。首先，在奇異點附近觀測到了聲子激光閾值的突然降低。在實驗中，當輸入微腔中的光場的功率達到一定的閾值時，才能看到輸出聲學場的相干行為，即進入聲子激光區(qū)，具體表現(xiàn)為聲學場輸出功率的突然提高，以及輸出聲學場線寬的突然變窄。從物理上講，這是為了保證輸入能量足夠強使得作為增益介質(zhì)的光學超模可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。這一閾值即為聲子激光的閾值。通常，聲子激光的閾值是較高的，這限制了聲子激光的應用。研究人員在實驗中發(fā)現(xiàn)在奇異點附近調(diào)節(jié)聲子激光時，可以有效將聲子激光的閾值降低兩個數(shù)量級以上，這為聲子激光在微弱信號處理、乃至在量子器件方面的應用提供了新思路。
其次，在奇異點附近看到了聲子激光線寬的大范圍變化，這使得我們在奇異點附近可以構造線寬大范圍可調(diào)的相干聲學信號探測器。這一特性在微納傳感領域?qū)⒅陵P重要。事實上，將聲子激光用于傳感的一個主要需要解決的問題是聲子激光的可調(diào)諧性，以使得聲子激光作為相干聲學信號探測器可以與被測對象有較好的響應。以超聲探測為例，通常待探測的超聲源帶寬較寬且所屬的頻帶不確定，需要探測器響應帶寬在較大范圍內(nèi)可調(diào)，我們所實現(xiàn)的可調(diào)聲子激光為超聲信號的探測提供了可能。
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