中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在腔光力系統(tǒng)研究方面取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)的董春華教授研究組通過(guò)光子與聲子相互作用，在腔光力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多種非線性效應(yīng)調(diào)控的頻率梳。該研究成果于2024年4月19日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Physics Review Letters》。

頻率梳，即頻率域上具有均勻間隔的相干譜圖，在頻率度量學(xué)、原子鐘、光學(xué)測(cè)距與光通訊、天文光譜校準(zhǔn)、低噪聲微波源、量子糾纏態(tài)等領(lǐng)域中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。然而，具備高梳齒密度的微腔克爾頻率梳尺寸通常在毫米量級(jí)，如何實(shí)現(xiàn)具有更小尺寸、更小重量和更低功耗的可集成低重復(fù)頻率光頻梳仍有待研究。

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圖1.（a-b）光力晶體微腔以及腔內(nèi)的光學(xué)模式和機(jī)械模式；（c）微腔內(nèi)光力頻率梳產(chǎn)生的原理示意圖。

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)基于硅光聲晶體，利用光力相互作用等多種非線性效應(yīng)，如圖1所示，為產(chǎn)生和調(diào)控頻率梳提供了一個(gè)可選的解決方案。腔光力學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率依賴于機(jī)械振動(dòng)頻率，可以在超小尺寸（約600 nm * 15 um）的器件中實(shí)現(xiàn)低重復(fù)頻率，如圖2所示。為了提高頻梳寬度與梳齒密度，不同頻率的聲子激光需要在系統(tǒng)中被同時(shí)激發(fā)。為此，研究團(tuán)隊(duì)制備了高品質(zhì)的光力晶體微腔，提出并實(shí)現(xiàn)了無(wú)外部調(diào)制的多模聲子激光，為腔光力系統(tǒng)中光力頻率梳的研究奠定了基礎(chǔ)。此外，研究團(tuán)隊(duì)將自脈沖引入到系統(tǒng)中，演示了自脈沖與彎曲機(jī)械模式相互作用下的一系列動(dòng)態(tài)演化，如分?jǐn)?shù)鎖頻、聲子激光狀態(tài)切換、以及自脈沖充當(dāng)模間準(zhǔn)弗洛凱調(diào)制的準(zhǔn)三模聲子激光狀態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)上述研究，展示了具有超過(guò)260根梳齒、重復(fù)頻率低至30MHz的頻率梳。并且，該頻率梳可以通過(guò)自脈沖效應(yīng)調(diào)控到不同的工作狀態(tài)，如圖2所示。該工作證明了在腔光力學(xué)頻率梳的產(chǎn)生和調(diào)控中利用多種非線性效應(yīng)的有效性，為傳感、定時(shí)和計(jì)量等應(yīng)用提供了一種新型的腔光力學(xué)頻率梳。

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圖2.三種典型的光力頻率梳。(a-c)分別為三種頻率梳狀態(tài)的功率譜；(d-f)分別對(duì)應(yīng)（a-c）中頻率梳在5.3 GHz附近的功率譜線，展示重復(fù)頻率分別為90.17 MHz、90.17/3MHz、 以及77.19/2 MHz。(g-i)分別為對(duì)應(yīng)的時(shí)域振蕩信號(hào)。

汪昱、張勱為該論文的共同第一作者，沈鎮(zhèn)、董春華為該論文的通訊作者。上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.163603