在特殊点工作的声子激光器
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上图是复合谐振器系统中声子激射的示意图：两个微环面谐振器R1（绿色）和R2（蓝色），通过倏逝场相互耦合。第一谐振器支持高Q光模式A1，以及具有谐振频率Ωm的机械模式。第二谐振器R2支持低Q光模式A2，其阻尼率由镀铬二氧化硅纳米尖端调谐到接近R2。图片来源：《自然光子学Nature Photonics》杂志。 <?}g[ ]i
光和声子的基本量子是玻色子粒子，它们大体上遵循相似的规则，并且一般是很好的相互类比。物理学家在最近对声子激光器的实验研究中探索了这种类比，以提供一个长期争论的问题，即如何在一个特殊的点（EP）上操作激光，或者更具体地说，它的线宽受到影响。例外点是物理系统的能量函数中的奇点，其中两个光模式聚集在一起（合并成一个模式）以产生不寻常的效果。 R@aT=\u+
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直到最近，这一概念主要只存在于理论上，但在激光和光子结构等光学系统的实验演示中得到了新的关注。实验研究涉及系统的奇偶时间对称的平衡增益和材料损失，以确保强光强度，免受背散射。虽然闭合和无损物理系统由量子物理学中的厄米算符描述，但是具有异常匹配点（EPS）的开放边界的系统是非厄米特。 +Z0E?,Oz
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异常匹配点的实验研究主要关注这样的奇偶校验时间对称系统，它巧妙地利用了增益和损耗之间的相互作用，以实现全新的和意想不到的特征。在这样一个概念性的飞跃中，在这些系统中产生的不寻常的光学效应使介质在一个方向上看不见，这是一个迈向下一代光学材料的一个步骤，具有独特的性质，而天然材料是不可见的。这样的概念已经引发了强烈的研究努力，以探索非厄米特系统的实验和理论。 )BrqE uX@"
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在第一激光实验证明之前，Schawlow 和 Townes计算了其线宽的基本量子极限；异常匹配点在历史上与超出基本Schawlow–Townes极限的激光线宽的极端展宽有关。虽然理论模型已经提供了一个计算激光线宽的框架，但是它们不能直接解决异常匹配点的问题。实验上，将激光直接引导到异常匹配点并不简单，因为光子激光模式在异常匹配点附近变得不稳定，导致混乱的激光可以被错误地视为非常宽的激光线。 $X]v;B)J|
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在实践中，当激光在异常匹配点中运行时，线宽究竟发生了什么，至今仍不清楚。了解线宽展宽的机制，将使激光资源具有新的能力，我们以前没有访问过。Zhang等人提供了一个优雅的新策略来解决这个问题，正如发表在《自然光子学》杂志的论文表示，通过使用声子激光器而不是它的光学对应物来观察它在一个特殊的点上的操作。 j"=jK^
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上图显示将声子激光器调谐到一个异常匹配点：第一列是两个谐振器中光学超模A±分布的示意图。第二列说明了两个光学超模A±的频差和线宽。最后一列表示声子激光器的线宽。两个光学超模式聚在一起异常匹配点的在C处，以红色突出。该系统从A、B对称分布的光学超模向具有重叠重叠的超模式转变，在C模式下由光学模式驱动的完全重叠。声子激光器继承了增加的光学噪声，由加宽的机械线宽反射。红盒子）。异常匹配点后的系统在D、E处可见，推动系统远离异常匹配点，导致声子激光器线宽变窄。 bJ}+<##
在这项研究中，声子激光器产生由光泵浦引起的相干声音振荡（机械振动），这是由Vahala、Grudinin和同事们先前开发的一个概念，具有光子激光器典型的特性。在本实验中，研究人员使用了类似的光学机械系统，其中有两个耦合的二氧化硅回音壁型微谐振器（绿色和蓝色）。将复合声子激光系统朝向或远离其异常匹配点，以观察在异常匹配点附近的声子激光的行为。 AtYYu
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为了观察线宽展宽，物理学家用锥形光纤将可调谐激光器光耦合到单个微谐振器（绿色）的光激励实验装置的机械模式。然后，为了使系统朝向或远离其异常匹配点，它们使用镀铬的二氧化硅纳米纤维尖端引入第二微谐振器（绿色）的附加损耗。 E/ )+hK&
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增益和损耗之间的相互作用被利用来调谐声子激光器到异常匹配点。声子激光被解释为三波参量过程，其中两个波是光学的，第三波是声学的或机械的。研究人员提供了直接的实验证据，以显示在异常匹配点中光学超模的完全重叠，并且异常匹配点增强的光学噪声可以直接传递到机械噪声，导致在声子激光器中观察到的线宽展宽。 je% 12DM
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实际的好处很容易掌握：声波的传播速度比光的速度低大约五个数量级，因此声音的波长相应地短于同一频率的光。该特征可以实现高精度、非破坏性的测量和成像，并实现具有聚焦声波的高能量浓度。 v[GHqZ
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本工作为噪声和非厄米特物理学之间的关系开辟了新的视角，在信号处理技术等相关领域具有潜在的应用前景。该系统可以用作类似于完全集成的光子器件的芯片上的声子器件，用于信息处理。更有趣的是，所研究的平台可以通过在两个或多个系统中检测和控制异常匹配点来拓宽非埃尔米特物理学的洞察力。 @]4 s&;
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原文来源：https://phys.org/news/2018-07-phonon-laser-exceptional.html（实验帮译）
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