激光是20世纪以来人类科学史上的一项重大发明。由于其无处不在的应用和深远的影响，激光的概念已经扩展到物理学的其他领域，包括声子激光器和原子激光器。通常，一个物理领域中的激光可以被另一个物理领域中的能量泵浦，例如泵浦源为电流注入的半导体激光器、受激布里渊散射（SBS）泵浦的声子激光、光泵浦的原子激光器。然而，到目前为止，所有在实践中验证过激光器都只能够在一个物理域中产生激光。

双域光纤激光器的工作原理。（A）双模光纤（TMF）环形腔中双域（声子和光子）激光器示意图。（B）后向受激布里渊散射（SBS）和（C）前向受激布里渊散射的能量和动量守恒条件下的色散图。（D）频域中同时产生声子和声子激光的工作原理。

最近，美国中佛罗里达大学光学与光子学院的一个研究团队与法国普睿斯曼小组证明了光子和声子激光同时产生的过程。这种双域激光器具有多种潜在应用，如光学和声学镊子、光机械传感、微波生成以及量子信息处理等。该团队希望这次演示能够为多域激光器的相关应用开辟新的途径，且研究成果已发表在Science Advances杂志上。

• 双域激光器的研制

  激光，传统概念描述了基于受激辐射的光学振荡器，是射频电子振荡器和微波激射器在光学领域的延伸。随着激光的大量应用，这一概念扩展到声学振荡器（Sasers）和原子振荡器，又称其为声子激光器和原子激光器。

在一些应用中，同时产生光子激光和声子激光的过程是有应用价值的。光子能够捕获纳米尺度的物体，声学镊子可以控制亚毫米尺度的物体，通过结合超声波和光子生物成像将能够在分辨率、穿透深度和对比度等方面改善图像质量。另外，双域激光器在声子和光子中能够产生非经典态，如压缩/纠缠态，可通过检测单个光子来预测单个声子。因此，双域激光器在量子信息处理和传感领域具有广阔的应用前景。

之前所有的实验表明，斯托克斯光（声）波仅仅是声子（光子）激光器的副产品。但在本项工作中，该团队研发了一个耦合振荡器系统。使用同一源泵浦在两个不同的物理域中产生振荡。结果表明，该系统能够同时增强光子和声子激光器的输出功率。

实验设置。（A）在10m双模光纤（TMF）环形腔中演示基于前向互调SBS的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）激光器中用作增益介质的TMF的折射率分布。（C）TMF的显微镜横截面图像。（D）在λ=976nm处测量的TMF的三种波导模式。

• 工作原理

双域激光器在一个公共光纤环腔中同时产生声子激光和光子激光。在双模光纤（TMF）中，前向受激布里渊散射产生低频弯曲声波。这些低频声子被限制在石英光纤的纤芯和包层中，具有10ms的长寿命，传播长度大约为10m。这使得声子也能够产生激光。在实验装置中，光波的相干振荡增强了声学声子的增益，反之亦然，从而在两个域中产生激光。

随着泵浦光功率的增加，双域激光器中可以观察到四种工作状态。要同时产生声子和光子激光，斯托克斯光波和声波的增益必须超过其损耗。在本实验中，通过使用纤芯尺寸相同但包层尺寸不同的光纤，破坏其对称性，使得环腔内的声子能量促进声子激发。当光波和声波满足相位匹配条件，腔内的光功率增加，直到饱和增益等于往返损耗。在稳定状态下，低频弯曲声波和斯托克斯光波在光纤环形腔内共振振荡。声子激光功率被限制在腔内，而在耦合器的输出端可以观察到斯托克斯激光。

双域激光器装置采用的976nm的光纤耦合泵浦二极管，线宽为1MHz，最大输出功率为400mW。实验采用热电制冷控制器来调节系统的工作温度，精确度达到0.001℃。基模泵浦被送入外径80μm的双模光纤，再通过TMF耦合器完全耦合到外径60μm的环形腔中。实验中用于提供增益的光纤是由纯二氧化硅包层和掺杂的二氧化硅纤芯制成的减小包层的双模光纤。由于声场扩展到整个包层，因此减小双模光纤包层尺寸改善了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。

研究团队计算了光子激光和声子激光对应的两个阈值泵浦功率，分别为180mW和308mW。当泵浦功率为367mW时，测量的光子激光功率为21.8mW，与数值模拟结果一致。

本文由光电汇根据phys内容编译，如需转载请注明

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