Laser squared：双域光子-声子激光器

双域光纤激光器的工作原理。(A) 基于TMF环形腔内正向多模SBS的双域（声子和光子）激光器示意图。光纤中(B)后向SBS和(C)前向SBS的能量和动量守恒条件下的色散图。(D)在频域中说明声子和声子同时激光的工作原理。来源：Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

激光是一项重要的历史发明，对社会的影响无处不在。这一概念在声子激光器和原子激光器方面也有跨学科应用。一个物理域的激光可以被另一个物理域的能量泵浦。然而，迄今为止，所有实际应用的激光器都只在一个物理域中发光。

发表在《科学进展》（Science Advances）上的一篇新报告中，美国中佛罗里达大学光学与光子学院的王宁和研究小组以及法国普睿司曼小组展示了光子和声子同时激光的过程。这种双域激光器有多种应用，如光学和声学镊子、机械传感、产生微波和进行量子处理。研究小组希望这次演示能为多域激光相关应用开辟新的道路。

开发双域激光器
激光是射频电子振荡器和光学区域微频激光器的延伸。激光的应用领域非常广泛，其概念在各个领域都有新的延伸，例如声学振荡器（也称为sasers）以及原子或物质波振荡器。激光的概念传统上是指基于受激发射的光学振荡器，尽管声子激光和原子/物质激光也很常见。

在一些应用中，光子和声子同时发光的过程非常有用。其中包括亚毫米尺度声镊的开发。结合超声波和光子生物成像技术可提高成像质量，双域激光器可用于量子信息处理和传感。现有的演示表明斯托克斯光学声波是声子激光器的副产品。在这项工作中，Wang及其同事开发了一个耦合振荡器系统，该系统在两个不同的物理域中进行激光，由同一源泵送，以展示双域同时光子和声子激光如何增强光子和声子激光器的输出功率。

实验装置。(A)在一个10米长的TMF环形腔中，基于前向多模SBS，演示双域同时声子和光子激光的实验装置。(B)在双域（声子和光子）激光器中用作增益介质的还原包层TMF的测量折射率曲线。(C）TMF的显微截面图。(D)在λ = 976 nm处测量的TMF三个引导光学模式的模式剖面。来源：Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

作用原理
研究小组利用前向受激布里渊散射（光子和声子在双模光纤中的相互作用）产生低频挠曲声波。低频声子被限制在二氧化硅光纤中，寿命长达10毫秒。传播长度约为10米，这使得声子也能发生激光作用。在实验装置中，光波的相干振荡增强了声子的增益，反之亦然，从而在两个领域产生了激光。

研究小组注意到，通过增加光泵功率，该装置有四种功能状态，可产生光子和声子激光，其中斯托克斯光波和声波的增益必须超过它们的损耗。实验人员设计了一种方法，允许环形腔内的声子能量促进声子激光。当声子激光功率被限制在腔内时，斯托克斯光激光则出现在耦合器的输出端。

实验
在实验过程中，研究人员使用了最大输出功率为400 mW的976 nm光纤耦合泵浦二极管。他们使用热电冷却器来调节系统的功能温度。泵浦发射到耦合到外径环形腔的双模光纤中。

科学家们使用了一种由纯二氧化硅包层和掺氧化锗的二氧化硅纤芯组成的减包层双模光纤。由于声场延伸到整个包层，因此减小双模光纤包层尺寸的过程改善了声场和光场之间的重叠，从而提高了受激布里渊散射增益系数。
 

实验结果 (A)LP11斯托克斯光子激光器的测量光功率与注入泵浦功率，(插图)光功率对数刻度。(B)在每个泵浦功率下，泵浦和斯托克斯光子激光器之间节拍音符的射频功率。(C）在泵浦功率为（D）100 mW、（E）161 mW、（F）271 mW和（G）367 mW时，射频功率与泵浦功率平方的线性比例以及节拍音电光谱，与（A）和（B）中的圆圈颜色匹配。来源：Science Advances (2023)。DOI: 10.1126/sciadv.adg7841
激光功率
研究小组测量了声子激光器的输出功率与注入环形腔的泵浦功率的函数关系，得到了光子激光器和声子激光器的两个阈值。光子激光的阈值泵浦功率为180 mW。当他们将泵浦功率提高到308 mW时，声子激光器也开始发光。

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。光子-声子激光器代表了一种倒耗散层次结构，与现有标准相比，声发射线宽比泵浦激光器线宽窄得多。

展望
王宁及其同事以这种方式展示了两个相干耦合激光器如何在不同的物理领域完成各种实际任务。光和声音具有不同的空间和时间特性，与材料的相互作用也不同，因此，它们的可用性可以有不同的探索。这种在同一腔体中两个不同物理域的耦合激光现象是首次在研究中取得的成果。这一成果超越了已经建立的方法，包括相干耦合激光器，如激光二极管阵列。

该双域激光器探索了前向模间受激布里渊散射，以实现在同一腔内同时进行光子和声子激光的耦合。由于没有高分辨率和高帧率相机，研究小组在这项研究中没有直接观测声子激光功率。科学家们观察到了与自发布里渊散射、光子激光和光子-声子激光相关的几种激光功能状态，这与2域激光的理论模型相一致。这些成果将推动未来光学机械学的发展，并将带来多域激光器及相关应用。

参考资料

Ning Wang et al, Laser 2 : A two-domain photon-phonon laser, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

Robert M. Pettit et al, An optical tweezer phonon laser, Nature Photonics (2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0395-5