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资讯｜国防科技大学等团队研制出超宽带声子激光频率梳：6000齿创领域纪录，带宽跨越六个数量级

两江科技评论

2026-02-25

导读：近日，Advanced Photonics期刊发表了一项关于声学频率梳的研究成果。

近日，Advanced Photonics期刊发表了一项关于声学频率梳的研究成果。来自国防科技大学、湖南第一师范学院等机构的研究人员，与日本理化学研究所、新加坡国立大学、密歇根大学等国际团队合作，研制出高性能的超宽带声子激光频率梳：梳齿数量高达6000根、带宽跨越六个数量级，多项性能指标达领域领先水平。

图1 声子激光频率梳（PL comb）概览。(a) 声波频率范围及其典型应用。本工作覆盖了从 10 Hz 到 14 MHz 的宽频率范围。(b) PL comb 原理及实验装置示意图。SiN：氮化硅；Ci：准直器；WDM：波分复用器；M：反射镜；PD：光电探测器；BPD：平衡光电探测器。插图展示了镀膜 SiN 薄膜的层级结构。(c) 在可调几何偏转下的非线性光力耦合机制，导致多色声子激光的产生。(d) 腔内光功率的两个模式（Ωₐ和Ωb）被声子激光模式调制后，发生级联四波混频的示意图。(e) 泵浦功率为 325 mW 时测得的薄膜位移功率谱密度 (PSD)。

从光频梳到声频梳

光学频率梳由一系列等间隔的谱线组成，如同一把精密的“光尺”，在精密计量、光谱学和天文学等领域发挥了重要作用。声学频率梳则是其在机械振动领域的对应物，将声音或机械振动组织成等间隔的频率序列。由于声波与物质的相互作用方式与光截然不同，声频梳在水下探测、结构缺陷检测和生物医学超声等应用场景中具有独特优势。

然而，现有的声学频率梳存在明显局限：工作频段通常局限于百千赫兹级别的高频超声区域，梳齿数量仅有数百根，带宽受限，难以满足更广泛的应用需求。

核心突破：声子激光机制

这项研究的关键创新在于采用声子激光（phonon laser）机制产生机械振动。研究团队构建了一个主动光力腔系统：一片厚度仅100纳米的氮化硅（SiN）薄膜——表面镀有30纳米金层以提升反射率——作为机械振子，被置于低真空环境（气压低于1 kPa）中；腔内掺镱增益光纤提供光学增益，激光以顺时针和逆时针方向循环传播。

系统的核心物理机制是耗散型光力耦合。当泵浦功率增至约138毫瓦的阈值以上时，光辐射压力使薄膜产生显著形变，腔内增益补偿光学损耗并增强光力耦合强度，薄膜从热运动状态跃迁至声子激光态——机械振动变得相干且强度高度有序，类似于光学激光，但以声波形式呈现。此时，通过调节反射镜角度，薄膜可在两个不同的本征频率（Ωₐ和Ωb）及其高次谐波（2Ωₐ、3Ωₐ等）上稳定振动。

这些相干振动调制腔内激光，通过级联四波混频产生光力频率梳（OM comb）；随着泵浦功率进一步提升至190–250毫瓦，系统最终演化为完整的声子激光频率梳（PL comb），梳齿间隔ΔΩ = Ωₐ − Ωb均匀分布。

图2 PL comb 的特性。形成过程(a, d, e)：详细描绘了从“多色声子激光” → “光力频率梳 (OM comb)” → “声子激光频率梳 (PL comb)”的完整演化路径。特别是图 (e) 展示了随着功率增加，边带爆发式增长，最终形成密集梳齿的过程。可调谐性 (b, c)：证明了通过简单调节反射镜角度（改变光束在薄膜上的间距），可以灵活控制梳齿的间隔（重复频率），调谐范围覆盖 10 Hz 到 100 kHz（四个数量级）。性能记录(f)：通过与其他研究对比，展示了本工作在梳齿数量（高达 6000 根）上的优势。图 (g) 显示频率在 30 分钟内非常稳定。图 (h) 的艾伦方差显示其位移稳定性比传统压电驱动的声频梳高出近两个数量级。图 (i) 显示 PL comb 的相位噪声甚至低于单纯的声子激光态，证明级联四波混频过程具有自动相位匹配的稳相作用。

研究团队通过调节光路中反射镜的角度（Δθ），可改变顺、逆时针光束在膜面的空间间距（Δθ约为43微弧度时，光束间距约24微米），从而灵活调控梳齿间隔在约10赫兹至100千赫兹范围内变化——调谐范围跨越四个数量级。

实验证实，该声子激光频率梳具备声子激光的典型特征：声子数阈值行为、线宽窄化，以及二阶自相关函数g⁽²⁾(0)趋近于1——标志着从热态到相干态的转变。其中，g⁽²⁾(0)=1的激光相干特征是此前声学频率梳实验尚未被观测到的。

性能指标方面，该系统在声子激光频率梳状态下，首根梳齿的相对频率稳定度达~9.86×10⁻⁴，位移艾伦方差达~2.5×10⁻⁹ nm²，较现有压电换能器驱动的声频梳稳定性提升近两个数量级；其相位噪声亦低于纯声子激光态，显示出级联四波混频自动相位匹配带来的更强稳定性。

此外，该频率梳所产生的信号同时存在于机械域和光学域，可通过光电探测器和平衡光电探测器分别获取梳齿信号——这一可在光力梳与声子激光梳两种形态下分别输出信号的双通道能力，在声学频率梳系统中尚属首次实现。研究团队还发现，该系统可在多色声子激光器与声子激光频率梳之间实现灵活切换。

应用前景与未来方向

这项研究实现的声子激光频率梳拥有6000根梳齿，带宽从10赫兹延伸至14兆赫兹，跨越六个数量级，覆盖了从次声、可听声到超声的广阔频段。论文指出，这项研究为水下传感、缺陷检测、生物医学超声等领域的潜在应用开辟了新可能。

该系统的实现无需复杂的结构设计或精密的外部反馈控制，有助于拓展其实际应用场景。目前该系统在最高1千帕气压下工作。研究团队展望，通过耗散稀释（dissipation dilution）和超表面工程等先进纳米加工技术提升薄膜机械品质因数、降低空气阻尼，有望实现常压环境下的稳定运行，从而大幅拓展这项技术的实用化前景。

论文信息：Guangzong Xiao et al, Ultrabroadband phonon laser frequency comb, Advanced Photonics (2026). DOI: 10.1117/1.ap.8.2.026004

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