在特殊點工作的聲子激光器
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上圖是復合諧振器系統(tǒng)中聲子激射的示意圖：兩個微環(huán)面諧振器R1（綠色）和R2（藍色），通過倏逝場相互耦合。第一諧振器支持高Q光模式A1，以及具有諧振頻率Ωm的機械模式。第二諧振器R2支持低Q光模式A2，其阻尼率由鍍鉻二氧化硅納米尖端調諧到接近R2。圖片來源：《自然光子學Nature Photonics》雜志。 w3(|A> s3
光和聲子的基本量子是玻色子粒子，它們大體上遵循相似的規(guī)則，并且一般是很好的相互類比。物理學家在最近對聲子激光器的實驗研究中探索了這種類比，以提供一個長期爭論的問題，即如何在一個特殊的點（EP）上操作激光，或者更具體地說，它的線寬受到影響。例外點是物理系統(tǒng)的能量函數(shù)中的奇點，其中兩個光模式聚集在一起（合并成一個模式）以產(chǎn)生不尋常的效果。 ]=q auf>3
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直到最近，這一概念主要只存在于理論上，但在激光和光子結構等光學系統(tǒng)的實驗演示中得到了新的關注。實驗研究涉及系統(tǒng)的奇偶時間對稱的平衡增益和材料損失，以確保強光強度，免受背散射。雖然閉合和無損物理系統(tǒng)由量子物理學中的厄米算符描述，但是具有異常匹配點（EPS）的開放邊界的系統(tǒng)是非厄米特。 BsIF3sS#9
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異常匹配點的實驗研究主要關注這樣的奇偶校驗時間對稱系統(tǒng)，它巧妙地利用了增益和損耗之間的相互作用，以實現(xiàn)全新的和意想不到的特征。在這樣一個概念性的飛躍中，在這些系統(tǒng)中產(chǎn)生的不尋常的光學效應使介質在一個方向上看不見，這是一個邁向下一代光學材料的一個步驟，具有獨特的性質，而天然材料是不可見的。這樣的概念已經(jīng)引發(fā)了強烈的研究努力，以探索非厄米特系統(tǒng)的實驗和理論。 *x|%Nua"
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在第一激光實驗證明之前，Schawlow 和 Townes計算了其線寬的基本量子極限；異常匹配點在歷史上與超出基本Schawlow–Townes極限的激光線寬的極端展寬有關。雖然理論模型已經(jīng)提供了一個計算激光線寬的框架，但是它們不能直接解決異常匹配點的問題。實驗上，將激光直接引導到異常匹配點并不簡單，因為光子激光模式在異常匹配點附近變得不穩(wěn)定，導致混亂的激光可以被錯誤地視為非常寬的激光線。 X3l>GeUi
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在實踐中，當激光在異常匹配點中運行時，線寬究竟發(fā)生了什么，至今仍不清楚。了解線寬展寬的機制，將使激光資源具有新的能力，我們以前沒有訪問過。Zhang等人提供了一個優(yōu)雅的新策略來解決這個問題，正如發(fā)表在《自然光子學》雜志的論文表示，通過使用聲子激光器而不是它的光學對應物來觀察它在一個特殊的點上的操作。 tF`L]1r>
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上圖顯示將聲子激光器調諧到一個異常匹配點：第一列是兩個諧振器中光學超模A±分布的示意圖。第二列說明了兩個光學超模A±的頻差和線寬。最后一列表示聲子激光器的線寬。兩個光學超模式聚在一起異常匹配點的在C處，以紅色突出。該系統(tǒng)從A、B對稱分布的光學超模向具有重疊重疊的超模式轉變，在C模式下由光學模式驅動的完全重疊。聲子激光器繼承了增加的光學噪聲，由加寬的機械線寬反射。紅盒子）。異常匹配點后的系統(tǒng)在D、E處可見，推動系統(tǒng)遠離異常匹配點，導致聲子激光器線寬變窄。 B>^6tdz
在這項研究中，聲子激光器產(chǎn)生由光泵浦引起的相干聲音振蕩（機械振動），這是由Vahala、Grudinin和同事們先前開發(fā)的一個概念，具有光子激光器典型的特性。在本實驗中，研究人員使用了類似的光學機械系統(tǒng)，其中有兩個耦合的二氧化硅回音壁型微諧振器（綠色和藍色）。將復合聲子激光系統(tǒng)朝向或遠離其異常匹配點，以觀察在異常匹配點附近的聲子激光的行為。 rF-SvSj}
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為了觀察線寬展寬，物理學家用錐形光纖將可調諧激光器光耦合到單個微諧振器（綠色）的光激勵實驗裝置的機械模式。然后，為了使系統(tǒng)朝向或遠離其異常匹配點，它們使用鍍鉻的二氧化硅納米纖維尖端引入第二微諧振器（綠色）的附加損耗。 &-yRa45?
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增益和損耗之間的相互作用被利用來調諧聲子激光器到異常匹配點。聲子激光被解釋為三波參量過程，其中兩個波是光學的，第三波是聲學的或機械的。研究人員提供了直接的實驗證據(jù)，以顯示在異常匹配點中光學超模的完全重疊，并且異常匹配點增強的光學噪聲可以直接傳遞到機械噪聲，導致在聲子激光器中觀察到的線寬展寬。 Yub}AuU`v
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實際的好處很容易掌握：聲波的傳播速度比光的速度低大約五個數(shù)量級，因此聲音的波長相應地短于同一頻率的光。該特征可以實現(xiàn)高精度、非破壞性的測量和成像，并實現(xiàn)具有聚焦聲波的高能量濃度。 0!\C@wnH
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本工作為噪聲和非厄米特物理學之間的關系開辟了新的視角，在信號處理技術等相關領域具有潛在的應用前景。該系統(tǒng)可以用作類似于完全集成的光子器件的芯片上的聲子器件，用于信息處理。更有趣的是，所研究的平臺可以通過在兩個或多個系統(tǒng)中檢測和控制異常匹配點來拓寬非埃爾米特物理學的洞察力。 kg7F8($
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原文來源：https://phys.org/news/2018-07-phonon-laser-exceptional.html（實驗幫譯）
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