激光是一項重大的歷史發(fā)明，對社會產生了無處不在的影響。這個概念也有跨學科的應用，如聲子激光器和原子激光器。一個物理域中的激光可以被另一個物理域中的能量泵浦。然而，到目前為止，所有在實踐中演示的激光器都只在一個物理領域激光。

在Science Advances 上發(fā)表的一篇新報告中，一個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，用于進行機械傳感，產生微波和執(zhí)行量子處理。該團隊希望這次演示能為多域激光相關應用開辟新的道路。

圖：雙域光纖激光器的工作原理。(A) TMF環(huán)形腔中基于前向互調SBS的雙域(聲子和光子)激光器的示意圖。光纖中(B)后向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生聲子和聲子激光的工作原理。來源：Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

研制雙域激光器

激光是電子振蕩器在射頻和微波激射器在光學區(qū)域的微頻率的延伸。激光有巨大的應用與新擴展的概念跨領域，如聲學振蕩器，也被稱為sasers，和振蕩器在原子或物質波。激光的概念傳統(tǒng)上描述了基于受激發(fā)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。其中包括亞毫米級聲學鑷子的開發(fā)。結合超聲和光子生物成像，提高成像質量和雙域激光的范圍跨越量子信息處理和傳感?，F有的演示表明，斯托克斯光學聲波是聲子激光的副產物。在這項工作中，Wang和他的同事們開發(fā)了一個耦合振蕩器系統(tǒng)，該系統(tǒng)從同一源泵浦的兩個不同的物理域中發(fā)出激光，以顯示雙域并發(fā)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(huán)形腔中演示基于前向多模態(tài)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的顯微鏡橫切面圖像。(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里淵散射產生低頻彎曲聲波;雙模光纖中光子和聲子的相互作用。低頻聲子被限制在硅纖維中，壽命長10毫秒。傳播長度約為10米，聲子也能產生激光。在實驗裝置中，光波的相干振蕩增強聲子的增益，反之亦然，從而在兩個域中產生激光。

該團隊指出，通過增加光泵功率來產生光子和聲子激光，該設備的四種功能狀態(tài)，其中斯托克斯光波和聲波的增益必須超過它們的損失。實驗人員設計了一種方法，允許聲子能量在環(huán)形腔內，以促進聲子激光。當聲子激光功率被限制在腔內時，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976 nm的光纖耦合泵浦二極管，最大輸出功率為400 mW。他們使用熱電冷卻器來調節(jié)系統(tǒng)的功能溫度。將泵浦發(fā)射成雙模光纖耦合成外徑環(huán)腔。

科學家們使用了一種由純二氧化硅包層和氧化鍺摻雜二氧化硅芯制成的簡化包層雙模光纖。由于聲場擴展到整個包層，減小雙模光纖包層尺寸的過程改善了聲光場之間的重疊，從而增加了受激布里淵散射增益系數。

激光功率

該團隊測量了聲子激光輸出功率作為注入環(huán)形腔的泵浦功率的函數，從而獲得了對應于光子激光和聲子激光的兩個閾值。光子激光器的閾值泵浦功率為180 mW。當他們將泵浦功率增加到308 mW時，聲子激光器也開始發(fā)出激光。

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。光子-聲子激光器具有倒耗散層次結構，與現有標準相比，聲發(fā)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個相干耦合激光器如何執(zhí)行各種實際任務。光和聲具有不同的時空特性，與材料的相互作用也不同;因此，可以對它們的可用性進行不同的探索。這種現象耦合激光在兩個不同的物理領域在同一腔是研究中的第一個結果。這個結果超越了已經建立的方法，包括相干耦合激光器，如激光二極管陣列。

雙域激光器探索了前向多模態(tài)受激布里淵散射，實現了同一腔內光子和聲子同步激光的耦合。由于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。科學家們觀察了幾種與自發(fā)布里淵散射、光子激光和光子-聲子激光相關的激光功能，這與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(fā)展，并將引領多域激光器和相關應用的發(fā)展。