「在被 eLight 期刊錄用前，我們把論文掛在預印本網站 arXiv 上，就被 New Scientist 關註並做了專題報道，稱 ‘實作了迄今為止最亮的聲子雷射，在深海探測與生物醫學成像等領域有重要的套用’。 」對於自己和合作者的新成果，來自湖南師範大學的景輝教授表示。
圖｜景輝（來源：景輝）
近日，湖南師範大學與國防科技大學合作將註入釘選技術套用於非線性多色聲子雷射中，多項效能參數達到了迄今為止的最高水平，實作了迄今為止最「亮」的聲子雷射。這項工作標誌著中國已經在聲子雷射研究領域走到了世界前列。
（來源：eLight）
具體來說：
基頻聲子雷射及其高次諧波的亮度均提高了 3 個量級以上，線寬均壓窄了 5 個量級以上。
以二階關聯函式表征的聲子相幹度也得到了顯著提高，高次諧波的品質因子首次提升到了 1e6 量級，達到介觀尺度下的最高水平。
更為重要的是，非線性聲子雷射的頻率穩定性提高了 5 個量級，使得微球的捕獲壽命從數分鐘提高到了 1 小時以上。
本次論文的審稿人加拿大維多利亞大學電氣與電腦工程系魯文·高登（Reuven Gordon）教授指出： 「該工作展示了聲子雷射領域的顯著進展，預期會對懸浮光力學領域產生重大影響。」
美國羅徹斯特大學 M. 巴塔查裏亞（M. Bhattacharya）教授在 Light: Science & Applications 上專文點評稱：「這項工作是聲子雷射走向實用化的一個裏程碑。」
高效能非線性聲子雷射的預期套用主要有兩個方面：
一是利用有源懸浮腔光力系統的非線性光力特征，可以將微球受到的極弱力訊號轉變為聲子雷射頻移訊號，有望突破現有的極弱力精密測量極限，由此能夠拓展到加速度傳感、相對重力傳感和極弱電場傳感等方面。
二是作為相幹聲波源，非線性聲子雷射達到了超音波頻段，可套用於水下相幹聲學測距、生物醫學超聲成像等方面。
由於非線性聲子雷射具有強相幹性和多色特性，因此可透過相位檢測、差分檢測等技術實作更高的分辨率。
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從聲子雷射到非線性聲子雷射
在 19 世紀 60 年代，雷射被譽為是最偉大的發明之一，並被稱為是「最快的刀，最亮的光，最準的尺」。
隨著它逐漸在社會生活各個領域發揮作用，「雷射」這一概念也逐漸向其他物理領域擴充套件。
「聲子」是固體振動的量子化表征。1932 年，前蘇聯物理學家雅科夫·弗侖克爾（Яков Френкель）首次正式將固體熱振動的能量量子命名為「phonon」。
聲子和光子具有很多相似性，它們都是玻色子，都具有波粒二象性。所以，很自然地在雷射被發明的同時，科學家們也預測了「聲子雷射」的概念。
聲子雷射也相繼在離子阱、懸掛法布立-培若諧振腔、回音壁微盤腔、光子晶體腔、半導體微腔和光鑷等物理系統中產生，成為了「雷射家族」非常活躍的新成員。
2023 年，國防科技大學與湖南師範大學等單位合作在國際上首次實作了非線性多色聲子雷射，將聲子雷射的研究推進到了非線性區，該成果入選了「2023 中國光學十大進展」。
這為 高階非線性聲子效應、量子聲學等基礎研究和聲子雷射頻梳、水下相幹聲子雷射傳感與通訊等套用研究開啟了大門。
然而，目前實驗室產生的聲子雷射的強度和品質因數通常都很低，這嚴重阻礙了它們在實際場景中的套用。
於是，他們確定了下一個研究目標：要想實作高效能的聲子雷射，首先得提高聲子雷射的穩定性。
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一旦微球逃逸，就得重頭再來
景輝表示，註入釘選現象在自然界中普遍存在。早在 17 世紀，荷蘭物理學家克里斯汀·惠更斯（Christiaan Huygens）註意到一個振蕩器對另一個振蕩器的振蕩頻率會發生影響。
惠更斯解釋了兩台掛在同一面墻上的機械鐘擺動會趨於一致的現象，並指出透過墻壁傳遞的微小振動能把一台鐘的振動頻率釘選於另一台鐘的頻率上，這就是最初的註入釘選現象。
1946 年，美國物理學家勞勃·阿德勒（Robert Adler）首次對磁控管註入釘選過程進行了理論研究，推匯出了註入釘選的條件，即 Adler 釘選條件。這讓電子學振蕩器之間的註入釘選現象得到了全面研究。
雷射出現之後，註入釘選技術成為獲得高功率單模窄線寬雷射光源的重要手段。而研究人員則從中得到啟發，將註入釘選技術套用到非線性多色聲子雷射中。
景輝表示，雖然註入釘選是一項傳統的技術，但為了把它套用到非線性聲子雷射中，國防科技大學肖光宗教授和他帶領的實驗團隊卻歷盡艱辛，表現出了頑強的「戰鬥力」。
首先，他們利用有源光學腔激勵懸浮微球，使其從熱運動轉變為相幹振蕩，即產生聲子雷射。
在有源腔產生的非線性光力作用下，聲子雷射產生高階諧波，從而形成了非線性多色聲子雷射。
然後，由於懸浮光力系統中被囚禁的微球通常帶有電荷，他們在微球附近放置一個直徑 2mm 的球面電極。
在電極上施加適當頻率的正弦訊號後，微球會受到調變電場的力作用，即聲子雷射中被註入了一個窄線寬、高頻率的穩定性訊號。
當電註入訊號的頻率合適時，原有聲子雷射被註入訊號牽引，線寬壓窄、幅值增強、頻率穩定性增加，從而實作更強更穩的聲子雷射。
剛開始，他們並沒有觀察到註入釘選的現象，經過分析可能是兩方面的原因：一是電場訊號強度不夠，二是聲子雷射的穩定性太弱，以至於抖動超過了釘選範圍。
後續，他們嘗試了不同尺寸的電極和更強的電場訊號，並升級了實驗系統的機械件，最後才觀察到明顯的實驗現象。
景輝說：「實驗看似簡單，步驟卻十分繁多。每次進入實驗室，面對滿桌的裝置和儀器，國防科技大學的研究人員都得深吸一口氣，調整好心態，知道今天的任務將會是一次漫長的戰鬥。」
實驗的第一步是捕獲微球，微球的尺寸僅 2 微米，不到頭發直徑的十分之一，使用特殊的光學裝置將它們捕獲在光場中需要極大的耐心和精確的調整。
經過此前多年的技術積累，他們已經掌握了單個微球重復起支的技術。但在微球成功捕獲之後，還遠遠沒有結束，這只是「萬裏長征」的第一步。
緊接著還有光鑷對準、捕獲光切換、三維位移調節、泵浦光調節、電訊號註入、數據采集等等二十多個步驟，而且這些步驟都需要確保微球不會逃逸。
一旦微球逃逸，盡管實驗進行到最後一步，也需要重頭再來。因此，每次實驗過程都要屏息凝神，仿佛稍微大一點的呼吸聲都會打亂整個操作。
其中，捕獲光束的切換便是微球極易逃逸的步驟，需要將被捕獲的微球從一套光鑷系統轉移到另一套光鑷系統，而光鑷可捕獲微球的範圍僅幾微米（不到頭發直徑的十分之一）。
期間，微球還在不斷受到空氣分子的熱碰撞，其難度不亞於空間站與航天飛船的交會對接。
「實驗步驟極其復雜，每一個環節都環環相扣，稍有不慎便前功盡棄。每一次實驗的完成，幾乎都像是在經歷一場心理戰。」研究人員表示。
很多次，看著時間一點點流逝，失敗後的重頭再來都讓成員感到無比沮喪和疲憊。
雖然失敗常常伴隨左右，但每次成功獲取數據的那一刻，所有的重復與耐心都得到了報酬。
不斷失敗、不斷再來，重復是實驗的常態。實驗裝置具有幾十個調整架，上百個旋鈕，一次次的彎腰調節，研究人員的腰和腿因勞累開始不自覺地顫抖，嚴重影響了實驗調節精度和實驗進度。
後來，他們在中國天眼 FAST（500 米口徑球面射電望遠鏡，Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）中找到了靈感。
FAST 使用 6 根鋼索連線支撐塔形成大型的「威亞」結構，確保重達 30 噸的饋源懸吊在半空中自由移動。
受其啟發，他們發明了實驗平台專用的「小型威亞」，將工業用的安全腰帶兩端固定在實驗平台的滑軌上，承托身體重量的同時，確保能夠在實驗台上來回移動。
這一低成本的改動為研究隊員帶來了巨大的便利，實驗也得以順利地推進。
日前，相關論文以【光鑷聲子雷射非線性諧波的巨幅增強】（Giant enhancement of nonlinear harmonics of an optical-tweezer phonon laser）為題發在 eLight （IF 27.2）。
國防科技大學肖光宗副教授和鄺騰芳助理研究員是共同一作，國防科技大學肖光宗副教授、羅暉教授和湖南師範大學教授景輝擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：eLight）
研究人員表示，聲子雷射是量子物理非常前沿的研究方向。
與同頻的光子雷射相比，聲子雷射具有更短的波長，且在不透明介質中的傳輸損耗低，因此在量子科學、水聲工程和生命科學等領域具有獨特優勢。
因此，未來他們將堅定不移地走好聲子雷射從基礎研究到套用研究的每一步，比如實作非線性聲子雷射中不同模式之間的關聯特性、更高 Q 值聲子雷射的產生以及聲子雷射傳感等。
參考資料：
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. eLight 4, 17 (2024). https://doi.org/10.1186/s43593-024-00064-8
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