双域光纤激光器的工作原理 光子和声子双域激光器的实验装置

专家视点

激光器是历史上最伟大的发明之一。由于其无处不在的应用和深刻的社会影响，激光的概念已经扩展到其他物理领域，包括声子激光器和原子激光器。通常，一个物理域中的激光是由另一个物理区域中的能量泵浦的。然而，迄今为止实现的所有激光器都只在一个物理域中产生了激光。在此，Wang等人提出了一个在两个不同的物理域中产生激光的耦合振荡器系统，由同一源泵浦。基于长寿命弯曲声波介导的前向互调受激布里渊散射，研究人员在双模二氧化硅光纤环腔中同时产生光子和声子激光。实验表明，两域同时产生的光子和声子激光提高了声子和光子激光器的输出功率。这项研究可能在光/声镊、光学机械传感、微波产生和量子信息处理中找到潜在的应用。此外，将带来其他多域激光器和相关应用。该工作发表在Science Advances上。

激光器是历史上最伟大的发明之一，它是将无线电频率的电子振荡器和微波频率的微波激射器扩展到光学领域的产物。随之而来的激光的巨大应用激发了这一概念向其他物理领域的新扩展，包括声学（声子）振荡器和原子/物质波振荡器。尽管术语激光传统上是指基于受激发射概念的光学振荡器，但由于其普遍性，它已被用于表示振荡器，因此，术语声子激光器和原子/物质激光器已被采用。通常，一个物理域中的激光是由另一个物理区域中的能量泵浦的，包括通过电流注入泵浦的半导体激光器以及通过使用光学激光器作为泵浦和光学泵浦的原子激光器的受激布里渊散射提供的能量泵浦的声子激光器。然而，迄今为止实现的所有激光器都只在一个物理域中产生了激光。虽然耦合电子振荡器被常规使用，耦合光子激光器也以阵列的形式构建，但涉及不同物理域的耦合振荡器尚未得到实现。

在某些应用中，同时发射光子和声子激光是有用的。例如，光学捕获只能控制纳米级的物体，而声镊可以控制亚毫米级的物体。通过同时使用光学和声学激光器，可以为镊子提供更好的范围、精度和分辨率。结合超声波和光子生物成像将在分辨率、穿透深度和对比度方面提高图像质量。基于泵浦、光子激光器和声子激光器之间的相互相干，也可以产生高质量、窄线宽的微波信号。由于控制双域激光器放大的耦合波方程与光学参量放大过程的耦合波方程式相同，双域激光器可以在两个域中产生非经典态，如压缩/纠缠态。光子和声子的相关发射可以用于诸如通过检测单个光子来预示单个声子的应用。因此，双域激光器有可能在量子信息处理和传感领域找到应用。

先前在相关领域的工作包括声子激光器。这是光学激光器的机械模拟，其中相干声辐射（声波）可以通过声子的受激发射使用声音放大过程来产生。声波可以用声子来描述，就像光波可以被认为是光子一样。这种类型的器件能够产生具有类似于光学激光器的特性的相干声学振荡，例如窄线宽和空间相干。高相干声源可应用于高精度计量、传感、声学成像、无损检测和微波光子信号处理等领域。自1996年首次提出声子激光器概念以来，人们对其进行了广泛的研究。近几十年来，已经报道了几个令人印象深刻的实验。使用半导体超晶格实现了第一个声子激光器在441 GHz的频率下产生声波的相干振荡。

光力学是一种强大的工具，可以在光波和机械波之间产生耦合。它提供了利用光控制声学声子的可能性。例如，通过使用Mg+离子的激光泵浦，发生质心声子的受激发射，提供运动的可饱和放大。最近，基于悬浮在光镊中的二氧化硅纳米球在真空下的振荡，实现了一种声子激光器。光学机械晶体中声学拓扑绝缘体的特性与驱动激光的振幅和频率有关。最近，人们设想了快速可重构的纳米机械光子超材料。光-声波耦合可用于奇偶时间对称声子激光器，并研究光机械系统中的奇偶时间对称-破缺相位混沌。受激布里渊散射是一种强非线性效应，可以描述为光波和声波之间的相互作用。声学声子可以通过使用光学泵浦的受激布里渊散射过程来放大。基于耦合微腔中两个超级模之间的受激布里渊散射，在复合微腔中观察到频率为23 MHz的声子激光作用，该耦合微腔的工作方式与两级激光系统非常相似。在二氧化硅微球谐振器中，研究人员利用不同横向光学模式之间的前向受激布里渊散射激发49-1400 MHz的回音壁机械谐振。基于低温下TeO2晶体中的后向受激布里渊散射，研究人员还实现了类埃尔米特-高斯声模的声子激光器。另一个振荡频率为100 MHz的声子激光器在多芯光纤中，在以芯间光学机械串扰为反馈机制的光电振荡器结构中得到了实现。

01工作原理

双域激光器在一个共同的（光纤环）腔中同时产生声子和光子激光。低频弯曲声波通过双模光纤中的基本LP01和高阶LP11横向光学模式之间的前向受激布里渊散射产生。事实上，在少模光纤中，后向和前向受激布里渊散射都会发生，但它们由两种不同类型的声波介导。对于后向和前向受激布里渊散射过程，能量和动量都必须守恒。后向受激布里渊散射的能量和动量守恒色散图，如图1B所示。蓝线和红线分别是前向和后向光波的色散曲线，绿线是声模的色散曲线。散射的斯托克斯波在向后的方向上传播，而声波在向前的方向上。所发射的声学模式是限制在纤芯区域内的纵向模式。它们的频率约为10 GHz。在二氧化硅中，如此高频的声波具有高阻尼，声子寿命仅约为10 ns，对应于60 μm的传播长度。这些高阻尼的声学声子立即被材料吸收，无法产生有效的声反馈。与此形成强烈对比的是，对于图1C所示的前向受激布里渊散射，斯托克斯波和声波都在前向方向上传播。声学弯曲模式通过两种不同横向光学模式之间的互调受激布里渊散射产生。在这种情况下，发射的声子频率可以下降到兆赫范围。这些低频声子被限制在二氧化硅光纤的整个结构（纤芯和包层）中，具有更长的寿命，通常在10 ms的数量级。它们的传播长度超过10米，这使得声子也有可能发出激光。

图1 双域光纤激光器的工作原理。（A）双模光纤环腔中基于前向互调受激布里渊散射的双域（声子和光子）激光器示意图。光纤中（B）后向受激布里渊散射和（C）前向受激Brillouin散射的具有能量和动量守恒条件的色散图。（D）在频域中说明了同时产生声子和声子激光的工作原理。

双模光纤环形腔中的声子和光子激光器的示意图，如图1A所示。通过使用基模LP01作为泵浦，LP11斯托克斯光波和弯曲声波在同一环形腔内被放大并共振振荡。光波的相干振荡增强了声学声子的增益，反之亦然，导致在两个域中同时产生激光。研究人员使用10 m缩减包层双模光纤实验实现了这种双域光纤激光器。随着光泵浦功率的增加，在该装置中观察到四种运转状态。为了同时产生光子和声子激光，斯托克斯光波和声波的增益必须超过它们的损耗。在实验中，前向互调受激布里渊散射发生在10 m双模光纤内部且由于声波的低损耗，LP11斯托克斯光波和弯曲声波都被放大。这在后向受激布里渊散射过程中很难实现。LP11斯托克斯光波通过光纤耦合器部分耦合出腔。光纤耦合器的光功率分配比可通过调节光纤耦合器锥腰长度来独立控制。在该实验中，调节锥腰长度，使得LP01光泵主要在交叉状态下运转且LP11斯托克斯光波主要在棒状态下运转。从而促进泵浦功率注入和斯托克斯光波激射。此外，研究人员使用了两种纤芯尺寸相同但包层尺寸不同的光纤。这种选择打破了两个光纤中声学模式的退化，使得双模光纤耦合器在空腔内的声波的条形状态下工作。当两个光纤的声波矢量之间的差足够大时，该结构的功能类似于声域中的不对称Y结且声场在整个耦合器中被限制在同一光纤中。这允许声子能量停留在环腔内，以促进声子激光发射。未来，另一种在声域保持对称但在光域打破对称的耦合器可以用作声子激光输出耦合器。此外，一旦光子波和声子波都满足相位匹配条件，两者的腔内功率将增加，直到饱和增益等于往返损耗。在稳定状态下，弯曲声波和斯托克斯光波在光纤环腔内共振振荡。声子激光功率被限制在腔内，而在耦合器的输出处观察到斯托克斯光学激光器。

如图1D所示，在频域中阐明了双域激光器的工作原理。LP01泵浦激光器（蓝色曲线）的中心波长为976 nm，3 dB线宽为1 MHz。它为LP11斯托克斯波（蓝色虚线曲线）创建了频率降频的前向受激布里渊散射增益峰值。研究人员为声子激光器选择了最低阶弯曲声学模式，因为它没有截止，因此，可以通过光纤耦合器区域传播。LP11光学模式的环形双模光纤腔的自由光谱范围约为20 MHz（红色箭头），大于布里渊增益带宽。为了满足光学激光器的往返谐振条件，泵浦频率被逐渐扫频，以使增益峰值与LP11斯托克斯光波的纵向模式之一对准。声学模式的自由光谱范围小于200 Hz（绿色箭头），因此，在受激布里渊散射增益带宽内可以发现许多声学模式。因此，相对容易满足声子激光器的往返共振条件。当光子和声子都发射激光时，光学激光器将出现一个强峰值（红色曲线）。光子激光器和泵浦之间的频率差就是声子激光器的频率。与基于后向受激布里渊散射的光纤激光器不同，在光纤激光器中，与泵浦相比，激光线宽被压缩，由于声学声子的超低耗散率，这种基于前向受激Brillouin散射的光子激光器具有与其泵浦相似的线宽。然而，声子激光器确实具有超窄的发射线宽，这意味着斯托克斯光学激光器与泵浦极为相干。

02光子-声子激光器

光子和声子双域激光器的实验装置，如图2A所示。976 nm光纤耦合泵浦二极管的线宽为1 MHz，最大输出功率为400 mW。热电冷却器控制器用于精确控制工作温度，步长为0.001 °C。基模泵浦被发射到外径为80 μm的双模光纤中，并通过双模光纤耦合器完全耦合到外径为60 μm的单模光纤环腔中。偏振控制器用于优化耦合到光纤环形腔中的泵浦功率。前向互调受激布里渊散射发生在10 m双模光纤中，该光纤的涂层被剥离以防止声波的吸收。LP11斯托克斯光波和顺时针方向传播的弯曲声波都被放大。通过控制泵浦激光器的工作温度来调谐泵浦频率。LP11斯托克斯光子激光器与剩余的LP01泵浦一起通过双模光纤耦合器部分耦合出去。需要注意的是，尽管光子激光器属于不同的空间模式，但它在时域上仍然与泵浦高度相干。研究人员使用了一个低串扰的三模式选择性光子灯来分离泵浦和斯托克斯波，并同时将光子激光器转换回基模。研究人员测量了LP11斯托克斯光子激光器的光功率。此外，还利用电谱分析仪对泵浦和斯托克斯光子激光器之间的拍频谱进行了表征。使用可变光学衰减器来衰减低于光电探测器饱和功率的输入功率。

图2 实验装置。（A）在10 m双模光纤环形腔中，基于前向互调受激布里渊散射实现两域同时声子和光子激光的实验装置。（B）在双域（声子和光子）激光器中，测量了用作增益介质的减包层双模光纤的折射率分布。（C）双模光纤的显微镜横截面图像。（D）在λ=976 nm处测量了双模光纤的三种引导光学模式的模式分布。

实验中用于提供增益的光纤是一种减少包层的双模光纤，由纯二氧化硅包层和掺杂GeO2的二氧化硅芯制成。测量的光纤折射率分布，如图2B所示，其截面显微图像，如图2C所示。纤芯和包层直径分别为6.8 μm和60 μm。它具有阶跃折射率分布，数值孔径为0.13，对应于2.83的光纤V数，确保它在工作波长下支持两个线偏振模式。该双模光纤在λ=976 nm处支撑的三个导模的测量强度分布，如图2D所示。介导两个光学模之间的前向受激布里渊散射的一阶弯曲声模的频率为5.11 MHz。在二氧化硅中，声波在该频率下的固有阻尼率仅为36 Hz，其小于空腔的声学自由频谱范围且低到足以形成离散声学空腔模式。由于声场延伸到整个包层中，减小双模光纤包层的尺寸可以改善声场和光场之间的重叠，从而增加受激布里渊散射增益系数。

图3A显示了测得的LP11光子激光输出功率作为注入环形腔的泵浦功率的函数。插图显示了输出功率，以对数为单位，作为注入环形腔的泵浦功率的函数。可以清楚地看到两个阈值，分别对应于光子激光器和声子激光器。斯托克斯光子激光器在声子激光器之前开始发射激光，因为斯托克波的小信号增益更高。光子激光器的阈值泵浦功率为180 mW。然而，由于弱声功率，输出的光子激光功率很低，只有几毫瓦。当泵浦功率增加到308 mW左右时，声子激光器也开始产生激光。更强的声场也增强了斯托克斯波的增益。光子激光输出功率的斜率在该区域变得更陡。在367 mW的泵浦功率下，测得的最大光子激光功率为21.8 mW。测量的阈值泵浦功率和输出激光功率与数值模拟结果一致。

图3 实验结果。（A）LP11斯托克斯光子激光器的测量光功率与注入的泵浦功率的关系，（插图）对数刻度的光功率。（B）在每个泵浦功率下，泵浦和斯托克斯光子激光器之间的拍频的RF功率。（C）在泵浦功率为（D）100 mW、（E）161 mW、（F）271 mW和（G）367 mW的情况下，线性标度的RF功率与泵浦功率的平方和拍频频谱，颜色与（A）和（B）中的圆圈匹配。

研究人员还研究了泵浦和斯托克斯光子激光器之间的拍频的功率作为泵浦功率的函数，如图3B中的对数线性标度所示。理论上，该拍频的功率增加了与腔内声子激光功率相同的数量级且它们具有完全相同的阈值泵浦功率。由于声波振幅的直接测量将需要以兆赫帧率进行微观成像，而这是不容易获得的，因此，拍频测量是直接测量的有效替代品。如图所示，峰值功率有两个跳跃，对应于光子和声子激光器的阈值。当使用RF功率（垂直轴）与泵浦功率平方（水平轴）的线性标度重新绘制图3B时，如图3C所示，还观察到与图3A中的斜率相对应的四个斜率。

研究人员记录了几个泵浦功率水平下的拍频谱，对应于图3A和B中的圆圈。可以观察到谱线形状随泵浦功率的演变。图3D显示，在接近100 mW的泵浦功率下，腔在自发布里渊散射区中工作，拍频谱在5.4 MHz的中心频率下具有约2.2 MHz的3-dB线宽。图3E显示，在161 mW附近的泵浦功率，腔开始主要在前向受激布里渊散射区工作，拍频谱的3-dB线宽减小为1.6 MHz。图3F显示，在271 mW的泵浦功率下，腔在斯托克斯光子激射区工作，拍频谱在5.6 MHz的中心频率处显示出一个强峰值，3-dB线宽约为26 kHz。图3G显示，在367 mW的泵浦功率下，腔在同时产生声子和光子激光的状态下工作，拍频谱在5.2 MHz的中心频率处显示出更强的峰值，3-dB线宽仅为1.7 kHz，对应于声子激光器的线宽。因此，与仅光子激光相比，双畴激光导致声子发射线宽缩小了一个数量级，这是使用现有声学技术很难实现的。

声子-光子激光器代表了一个反向耗散层次，其中声发射线宽比泵浦激光线宽窄得多，而不是反向受激布里渊散射激光器的标准耗散层次。在低泵浦功率下，自发布里渊散射由许多纵向声学模式介导。在受激布里渊散射和光子激光系统中，随着声腔精细度的增加，带宽相应减小，导致声子光谱变窄，从而导致泵浦斯托克斯拍频线宽变窄。在同时光子-声子激光系统中，泵浦斯托克斯拍频音符线宽进一步减小，因为即使是少量的纵向声模也可以激光。同时光子-声子激光系统中的拍频线宽仍然比声学阻尼率宽，这表明声子激光仍然是多模的。

03展望

虽然相干耦合激光器（如激光二极管阵列）是一种已建立的技术，但在同一腔中的不同物理域中耦合激光是一种尚未观察到的物理现象。双域激光器利用前向互调受激布里渊散射，实现在同一腔中同时产生光子和声子激光所需的耦合。实验中，这是一种环形激光器装置中的10米缩减包层双模光纤。测得的LP11斯托克斯光子激光功率大于20 mW，声子激光线宽约为1 kHz。通过直接测量光子激光功率对泵浦功率的依赖性来观察光子激光。由于还没有高分辨率和高帧率（~5 MHz）相机，因此，没有直接观察到声子激光功率。相反，通过测量泵浦和激光之间的拍频信号的功率来估计声子激光功率。然而，对与自发布里渊散射、受激布里渊散射、光子激光和光子-声子激光相对应的四种激光运转模式的观察与双域激光理论模型一致。

在不同物理域中的两个相干耦合激光器的源具有许多应用的潜力。由于光和声音具有不同的空间和时间特性且与材料的相互作用也不同，因此，可以通过各种方式利用它们的同时可用性。潜在的应用包括不同物理尺度的声学和光学捕获，物体光学机械和光学特性的同时光声成像以及高质量微波信号的受控生成。它还可能导致未来光学力学的进步。量子信息处理中的设想应用包括光子-声子纠缠态和压缩态的产生以及两个域中量子态的更通用相干控制和表征。可以相信，这项工作将带来其他多域激光器和相关应用。

审核编辑：汤梓红