激光是一項重大的曆史發明，對社會(hui) 產(chan) 生了無處不在的影響。這個(ge) 概念也有跨學科的應用，如聲子激光器和原子激光器。一個(ge) 物理域中的激光可以被另一個(ge) 物理域中的能量泵浦。然而，到目前為(wei) 止，所有在實踐中演示的激光器都隻在一個(ge) 物理領域激光。

在Science Advances 上發表的一篇新報告中，一個(ge) 研究小組展示了光子和聲子激光的同時過程。雙域激光器具有多種應用，如光鑷和聲鑷，用於(yu) 進行機械傳(chuan) 感，產(chan) 生微波和執行量子處理。該團隊希望這次演示能為(wei) 多域激光相關(guan) 應用開辟新的道路。

圖：雙域光纖激光器的工作原理。(A) TMF環形腔中基於(yu) 前向互調SBS的雙域(聲子和光子)激光器的示意圖。光纖中(B)後向SBS和(C)前向SBS的能量和動量守恒條件下的色散圖。(D) 在頻域中說明了同時產(chan) 生聲子和聲子激光的工作原理。來源：Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

研製雙域激光器

激光是電子振蕩器在射頻和微波激射器在光學區域的微頻率的延伸。激光有巨大的應用與(yu) 新擴展的概念跨領域，如聲學振蕩器，也被稱為(wei) sasers，和振蕩器在原子或物質波。激光的概念傳(chuan) 統上描述了基於(yu) 受激發射的光學振蕩器，盡管聲子激光和原子/物質激光也很常見。

在一些應用中，光子和聲子同時激光的過程是有用的。其中包括亞(ya) 毫米級聲學鑷子的開發。結合超聲和光子生物成像，提高成像質量和雙域激光的範圍跨越量子信息處理和傳(chuan) 感。現有的演示表明，斯托克斯光學聲波是聲子激光的副產(chan) 物。在這項工作中，Wang和他的同事們(men) 開發了一個(ge) 耦合振蕩器係統，該係統從(cong) 同一源泵浦的兩(liang) 個(ge) 不同的物理域中發出激光，以顯示雙域並發光子和聲子激光如何增強光子和聲子激光器的輸出功率。

圖：實驗設置。(A)在10 m TMF環形腔中演示基於(yu) 前向多模態SBS的雙域同步聲子和光子激光的實驗裝置。(B)在雙域(聲子和光子)激光中用作增益介質的減包層TMF的折射率分布。(C) TMF的顯微鏡橫切麵圖像。(D) λ = 976 nm處TMF三種模式的實測模廓圖。來源:Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

原理

該團隊利用正向受激布裏淵散射產(chan) 生低頻彎曲聲波;雙模光纖中光子和聲子的相互作用。低頻聲子被限製在矽纖維中，壽命長10毫秒。傳(chuan) 播長度約為(wei) 10米，聲子也能產(chan) 生激光。在實驗裝置中，光波的相幹振蕩增強聲子的增益，反之亦然，從(cong) 而在兩(liang) 個(ge) 域中產(chan) 生激光。

該團隊指出，通過增加光泵功率來產(chan) 生光子和聲子激光，該設備的四種功能狀態，其中斯托克斯光波和聲波的增益必須超過它們(men) 的損失。實驗人員設計了一種方法，允許聲子能量在環形腔內(nei) ，以促進聲子激光。當聲子激光功率被限製在腔內(nei) 時，在耦合器的輸出端可以看到斯托克斯光學激光。

實驗

在實驗中，研究人員使用了一個(ge) 976 nm的光纖耦合泵浦二極管，最大輸出功率為(wei) 400 mW。他們(men) 使用熱電冷卻器來調節係統的功能溫度。將泵浦發射成雙模光纖耦合成外徑環腔。

科學家們(men) 使用了一種由純二氧化矽包層和氧化鍺摻雜二氧化矽芯製成的簡化包層雙模光纖。由於(yu) 聲場擴展到整個(ge) 包層，減小雙模光纖包層尺寸的過程改善了聲光場之間的重疊，從(cong) 而增加了受激布裏淵散射增益係數。

激光功率

該團隊測量了聲子激光輸出功率作為(wei) 注入環形腔的泵浦功率的函數，從(cong) 而獲得了對應於(yu) 光子激光和聲子激光的兩(liang) 個(ge) 閾值。光子激光器的閾值泵浦功率為(wei) 180 mW。當他們(men) 將泵浦功率增加到308 mW時，聲子激光器也開始發出激光。

測量的閾值泵浦功率和輸出激光功率與(yu) 數值模擬結果一致。光子-聲子激光器具有倒耗散層次結構，與(yu) 現有標準相比，聲發射線寬比泵浦激光線寬窄得多。

前景

通過這種方式，研究人員展示了不同物理域的兩(liang) 個(ge) 相幹耦合激光器如何執行各種實際任務。光和聲具有不同的時空特性，與(yu) 材料的相互作用也不同;因此，可以對它們(men) 的可用性進行不同的探索。這種現象耦合激光在兩(liang) 個(ge) 不同的物理領域在同一腔是研究中的第一個(ge) 結果。這個(ge) 結果超越了已經建立的方法，包括相幹耦合激光器，如激光二極管陣列。

雙域激光器探索了前向多模態受激布裏淵散射，實現了同一腔內(nei) 光子和聲子同步激光的耦合。由於(yu) 缺乏高分辨率和高幀率的相機，研究小組在這項研究中沒有直接觀察聲子激光功率。科學家們(men) 觀察了幾種與(yu) 自發布裏淵散射、光子激光和光子-聲子激光相關(guan) 的激光功能，這與(yu) 雙域激光的理論模型一致。這一結果將引領光學力學的未來發展，並將引領多域激光器和相關(guan) 應用的發展。