首度實(shí)現(xiàn)聲子激光頻率梳 可測量聲音的“尺子”來了

日常生活中，人們用尺子丈量長度，精準(zhǔn)又方便。在國防科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，科研人員造出一把特殊的“尺子”——它看不見、摸不著，卻能丈量聲音的世界。

這便是國防科技大學(xué)激光陀螺創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)教授羅暉、副教授肖光宗課題組聯(lián)合該校教授景輝團(tuán)隊(duì)，將弗洛凱工程（Floquet工程）應(yīng)用于非線性聲子激光中，首次實(shí)現(xiàn)的聲子激光頻率梳。其梳齒數(shù)量達(dá)到40余個(gè)，梳齒之間的相位相干性顯著增強(qiáng)，為水下聲學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)成像等聲學(xué)傳感應(yīng)用提供了一把新型“聲尺”。研究成果近日在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

聲子激光的光學(xué)散射圖像。王昊昊 攝

水下等領(lǐng)域呼喚“超級(jí)聲尺”

想象一下，如果要測量一張桌子的長度，最直接的方法是用一把尺子。但若要測量地球到月球的距離，或細(xì)胞內(nèi)部的微小結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的尺子顯然無能為力。

在光學(xué)領(lǐng)域，這種“尺子”已經(jīng)存在，它就是光學(xué)頻率梳（光頻梳）。光頻梳好比一把能測光的頻率的“尺子”，科學(xué)家約翰·霍爾、特奧多爾·漢斯憑借光頻梳在精密光譜學(xué)、原子鐘、超快物理等領(lǐng)域的重要應(yīng)用，共同獲得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。作為光的“標(biāo)尺”，光頻梳已經(jīng)為光通信、光譜檢測、光學(xué)測距、光頻鐘等諸多領(lǐng)域帶來革命性變化。

“光頻梳的神奇之處在于，它能把不同頻率的光精確地‘排列’起來，就像一個(gè)超級(jí)精準(zhǔn)的齒輪組，能將極低頻率和極高頻率連接起來，實(shí)現(xiàn)前所未有的測量精度。”肖光宗說，但光也有短板，比如在水下，光會(huì)迅速衰減，傳播不遠(yuǎn)。這時(shí)，聲音就成了更好的選擇。聲波在水中的傳播能力極強(qiáng)，損耗遠(yuǎn)小于光。因此，科學(xué)家們一直尋求在聲學(xué)領(lǐng)域也制造出一把類似光頻梳的“聲尺”。

肖光宗（中）和團(tuán)隊(duì)成員探討科學(xué)問題。王昊昊 攝

近十年來，科學(xué)家們?cè)陔姍C(jī)械系統(tǒng)、光機(jī)電系統(tǒng)和光機(jī)系統(tǒng)中，利用機(jī)械波混頻、霍普夫分岔和非線性光機(jī)械耦合等機(jī)制，研制出了聲子頻梳。同時(shí)，科學(xué)家們正在探索聲子頻梳在水下測距、醫(yī)學(xué)成像等方面的應(yīng)用。然而，這類聲子頻梳是基于熱聲子產(chǎn)生的，其梳齒和梳齒之間并不具有相干性。

“早期的聲子頻梳就像一群沒有經(jīng)過訓(xùn)練的士兵，雖然也排成了隊(duì)列，但彼此間步伐不一、雜亂無章。這種雜亂在科學(xué)上被稱為缺乏相位相干性。”景輝解釋說，沒有相干性，就像用一把刻度模糊、晃動(dòng)的尺子去測量，精度會(huì)大打折扣。

景輝介紹，聲子激光就是一群步調(diào)完全一致的聲子，是光學(xué)激光在力學(xué)領(lǐng)域的對(duì)應(yīng)物。它攻克了聲子頻梳中梳齒不相干的問題，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域具有更廣泛的價(jià)值。但聲子激光頻率梳一直未能實(shí)現(xiàn)，還沒有人能做出這把“超級(jí)聲尺”。

學(xué)術(shù)交流會(huì)聽來的新思路

研制聲子激光頻率梳，就是造一把刻度又多又整齊、步調(diào)完全一致的“超級(jí)聲尺”。它兼具光頻梳的高精度和聲子頻梳在液體、固體中傳播能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

2023年，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表于《自然-物理學(xué)》的一項(xiàng)成果成功構(gòu)建非線性聲子激光，但依舊面臨梳齒數(shù)量少、梳齒間距難以調(diào)控等挑戰(zhàn)。非線性聲子激光具有多個(gè)聲子激光諧波，但是數(shù)量非常有限。如何擴(kuò)展聲子激光的模式數(shù)量，且保證新生成的模式仍然具有相干性，成為團(tuán)隊(duì)首先要解決的難題。

“也就是說，我們已找到一群能‘齊步走’的‘聲波士兵’，但這支隊(duì)伍規(guī)模太小，因?yàn)槭猃X少，且士兵間的間距，即梳齒間距沒法自由調(diào)整。”肖光宗告訴記者，團(tuán)隊(duì)開始大量查閱文獻(xiàn)，希望能啟發(fā)新思路。

在茫然又焦頭爛額的時(shí)候，一次學(xué)術(shù)交流給他們的研究帶來轉(zhuǎn)機(jī)。

Floquet工程，就是一種通過有節(jié)奏地、周期性地?cái)_動(dòng)一個(gè)系統(tǒng)，來控制和創(chuàng)造新物理狀態(tài)的方法，已在諸多物理系統(tǒng)中展現(xiàn)出非凡的能力，成功誘導(dǎo)出時(shí)間晶體等新奇物理現(xiàn)象。

“2024年10月，在長沙舉行的國防科技大學(xué)第四屆前沿交叉科技論壇上，團(tuán)隊(duì)成員首次接觸到Floquet工程這一強(qiáng)大技術(shù)。”肖光宗說，可以把Floquet工程想象成一種非常有規(guī)律的訓(xùn)練方法，就像讓士兵們聽著節(jié)拍器走路，引導(dǎo)他們跟上統(tǒng)一的節(jié)奏。“或許可用這種方法，讓聲子激光‘士兵’們形成更多、更有規(guī)律的‘隊(duì)列’。”

有了理論方向，實(shí)驗(yàn)落實(shí)卻并非易事。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)討論，實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是要讓非線性聲子激光發(fā)生周期變化。為此，他們首先嘗試用周期性地改變“捕獲光功率”來充當(dāng)“節(jié)拍器”，希望能帶動(dòng)聲子激光的載體做周期性運(yùn)動(dòng)。但幾個(gè)月過去了，實(shí)驗(yàn)毫無進(jìn)展。

既然“節(jié)拍”不夠明顯，那能不能把它放大？團(tuán)隊(duì)成員靈光一閃，將調(diào)制裝置安裝在了能量更強(qiáng)的“泵浦激光”上。果然，這個(gè)調(diào)整讓“節(jié)拍”被顯著放大，實(shí)驗(yàn)效果立刻有了起色。僅產(chǎn)生更多的頻率還不夠，它們還必須等間距、相位相干。緊接著，團(tuán)隊(duì)讓相鄰的頻率“隊(duì)列”相互靠近、合并，最終形成能量集中、間距均勻的完美“梳齒”結(jié)構(gòu)，成功做出了聲子激光頻率梳。

一把“尺子”開啟聲學(xué)傳感革命

“光頻梳的梳齒數(shù)量因不同研究和應(yīng)用有所差異，少則幾十根，多至上百萬根。因此，我們實(shí)現(xiàn)的聲子激光頻率梳40余個(gè)梳齒，相較于光頻梳是比較少的。”肖光宗表示，團(tuán)隊(duì)已通過其他原理，使聲子激光頻率梳齒超7000個(gè)，這個(gè)數(shù)量已超過一般光頻梳。

那么，聲子激光頻率梳的誕生，究竟能帶來哪些實(shí)際變革？

肖光宗舉了幾個(gè)例子。在水下探測領(lǐng)域，它將徹底改變傳統(tǒng)聲吶的精度局限。傳統(tǒng)聲吶采用連續(xù)聲波，測距精度僅能達(dá)到幾十微米，且無法實(shí)時(shí)監(jiān)測；聲子頻梳雖能將精度提升到幾百納米，但依賴強(qiáng)度信號(hào)的測量方式仍有局限；而聲子激光頻率梳憑借相位相干性，可將精度再提升兩個(gè)量級(jí)，達(dá)到百納米。

“這意味著我們能監(jiān)測海溝的微小變動(dòng)、冰川的緩慢移動(dòng)。”肖光宗說，海溝的地質(zhì)活動(dòng)往往以每分鐘幾十到幾百納米的速度進(jìn)行，傳統(tǒng)設(shè)備無法捕捉，而聲子激光頻率梳可以實(shí)時(shí)、高精度地記錄這些變化，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、海洋地質(zhì)研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外，在水下目標(biāo)探測中，它能更清晰地識(shí)別小尺寸目標(biāo)，比如潛艇的微小部件、水下機(jī)器人的精細(xì)操作，對(duì)水下工程具有重要意義。

在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，聲子激光頻率梳同樣潛力巨大。目前的B超采用特定頻率的聲波，成像分辨率受限于頻率單一性，且易受生物組織噪聲干擾。“聲子激光頻率梳有40多個(gè)頻率分量，相當(dāng)于用‘多把尺子’同時(shí)測量。”肖光宗解釋，比如用10個(gè)頻率測量，通過頻率間的相互減法，能最大限度剔除組織噪聲，將成像分辨率從微米級(jí)提升到納米級(jí)。未來，它或許能成為“納米級(jí)B超”，清晰觀測細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，為癌癥早期診斷、神經(jīng)科學(xué)研究提供新工具。

而在計(jì)量領(lǐng)域，聲子激光頻率梳也有望發(fā)揮重要作用。目前，光頻梳無法覆蓋低頻段，而聲子激光頻率梳已能實(shí)現(xiàn)從幾赫茲到幾十兆赫茲的覆蓋。“如果能讓聲子激光頻率梳的高頻段與光頻梳的低頻段重疊，就能構(gòu)建從赫茲級(jí)到太赫茲級(jí)的‘全頻段標(biāo)尺’。”肖光宗表示，這將為量子計(jì)量、精密機(jī)械制造等領(lǐng)域提供更全面的校準(zhǔn)方案。

“國防科技大學(xué)激光陀螺創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)由中國工程院院士高伯龍創(chuàng)建，有著五十多年的激光陀螺研究歷史。”羅暉表示，首個(gè)聲子激光頻率梳不僅構(gòu)建了高性能聲子激光頻率梳新范式，更為離子系統(tǒng)、光子晶體系統(tǒng)等多種聲學(xué)平臺(tái)生成聲子激光頻率梳提供重要思路。聲子激光頻率梳具備的高精度、可編程等特性，使其在高分辨率聲學(xué)傳感、片上頻譜操作、拓?fù)渎曌訉W(xué)探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。