我國學者首次造出超級“聲尺”

科技日報記者 張強 通訊員 張照星

進行星間測距，或測量冰川的微小位移，刻度固定、精度有限的尺子顯然無能為力，這時候光和聲音就派上了用場。近日，國防科技大學激光陀螺創新團隊羅暉教授、肖光宗副教授課題組聯合該校景輝教授團隊，在國際上首次造出聲子激光頻率梳，為水下聲學工程、生物醫學成像等聲學傳感應用提供了一把超級“聲尺”。相關成果近日在線發表於《科學進展》雜誌。

“聲子激光頻率梳，相當於一把刻度又多又整齊的超級‘聲尺’。它兼具光子頻率梳（光頻梳）的高精度和聲子頻梳在液體、固體中傳播能力強的優點。”羅暉告訴科技日報記者。

相比於“聲尺”，能測量光的頻率“光尺”早已廣泛應用，這就是光頻梳。2005年，科學家約翰·霍爾、特奧多爾·漢斯憑藉光頻梳在精密光譜學、原子鐘、超快物理等領域的重要應用，共同獲得了諾貝爾物理學獎。目前，光頻梳已經為光通信、光譜檢測、光學測距、光頻鍾等諸多領域帶來革命性變化。但在固態、液態環境中，光頻梳卻顯得力不從心。近年來，科學家們提出了基於熱聲子產生的聲子頻梳，然而這種聲子頻梳中代表刻度的“梳齒”和“梳齒”之間並不具有相干性。

“這就像用一把刻度模糊、晃動的尺子去測量，精度會大打折扣。”羅暉説，“產生相干的‘梳齒’是該領域一直難以克服的重要難題。”

聲子激光被視為是解決這一難題的突破口。景輝介紹，“聲子激光是一羣‘步調完全一致’的聲子，是激光在力學領域的對應物，它可以克服聲子頻率梳中‘梳齒’不相干的問題。但長期以來，聲子激光頻率梳一直未能實現。”

2023年，該聯合團隊發表於《自然·物理學》的一項成果成功構建了非線性聲子激光，為產生相干的聲子激光頻率梳提供了手段。但是，依舊需要克服“梳齒”數量少、“梳齒”間距難以調控等挑戰。進一步研究中，團隊將弗洛凱工程應用於非線性聲子激光中，通過引入週期性調製的弗洛凱泵浦信號，為多“梳齒”的產生與調控提供了手段，並實現了“梳齒”間距的靈活調節，成功實現了聲子激光頻率梳。令人振奮的是，這“把”聲子激光頻率梳，“梳齒”數量達到40餘個，“梳齒”之間的相干性顯著增強。

“實際應用中，‘梳齒’的數量和調節範圍代表了聲子激光頻率梳的頻率分辨能力。因此，本研究成果具有更廣闊的應用場景。”景輝説。

肖光宗表示，該成果有望應用於水下探測、生物醫學和量子計量等領域。