日常生活中，人們用尺子丈量長度，精準又方便。在國防科技大學實驗室里，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激光陀螺創新團隊教授羅暉、副教授肖光宗課題組聯合該校教授景輝團隊，將弗洛凱工程（Floquet工程）應用于非線性聲子激光中，首次實現的聲子激光頻率梳。其梳齒數量達到40余個，梳齒之間的相位相干性顯著增強，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新型“聲尺”。研究成果近日在線發表于《科學進展》。
水下等領域呼喚“超級聲尺”
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，或細胞內部的微小結構，傳統的尺子顯然無能為力。
在光學領域，這種“尺子”已經存在，它就是光學頻率梳（光頻梳）。光頻梳好比一把能測光的頻率的“尺子”，科學家約翰·霍爾、特奧多爾·漢斯憑借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2005年諾貝爾物理學獎。作為光的“標尺”，光頻梳已經為光通信、光譜檢測、光學測距、光頻鐘等諸多領域帶來革命性變化。
“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，就像一個超級精準的齒輪組，能將極低頻率和極高頻率連接起來，實現前所未有的測量精度。”肖光宗說，但光也有短板，比如在水下，光會迅速衰減，傳播不遠。這時，聲音就成了更好的選擇。聲波在水中的傳播能力極強，損耗遠小于光。因此，科學家們一直尋求在聲學領域也制造出一把類似光頻梳的“聲尺”。
近十年來，科學家們在電機械系統、光機電系統和光機系統中，利用機械波混頻、霍普夫分岔和非線性光機械耦合等機制，研制出了聲子頻梳。同時，科學家們正在探索聲子頻梳在水下測距、醫學成像等方面的應用。然而，這類聲子頻梳是基于熱聲子產生的，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過訓練的士兵，雖然也排成了隊列，但彼此間步伐不一、雜亂無章。這種雜亂在科學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、晃動的尺子去測量，精度會大打折扣。
景輝介紹，聲子激光就是一群步調完全一致的聲子，是光學激光在力學領域的對應物。它攻克了聲子頻梳中梳齒不相干的問題，在基礎研究和應用研究領域具有更廣泛的價值。但聲子激光頻率梳一直未能實現，還沒有人能做出這把“超級聲尺”。
學術交流會聽來的新思路
研制聲子激光頻率梳，就是造一把刻度又多又整齊、步調完全一致的“超級聲尺”。它兼具光頻梳的高精度和聲子頻梳在液體、固體中傳播能力強的優點。
2023年，該團隊發表于《自然-物理學》的一項成果成功構建非線性聲子激光，但依舊面臨梳齒數量少、梳齒間距難以調控等挑戰。非線性聲子激光具有多個聲子激光諧波，但是數量非常有限。如何擴展聲子激光的模式數量，且保證新生成的模式仍然具有相干性，成為團隊首先要解決的難題。
“也就是說，我們已找到一群能‘齊步走’的‘聲波士兵’，但這支隊伍規模太小，因為梳齒少，且士兵間的間距，即梳齒間距沒法自由調整。”肖光宗告訴記者，團隊開始大量查閱文獻，希望能啟發新思路。
在茫然又焦頭爛額的時候，一次學術交流給他們的研究帶來轉機。
Floquet工程，就是一種通過有節奏地、周期性地擾動一個系統，來控制和創造新物理狀態的方法，已在諸多物理系統中展現出非凡的能力，成功誘導出時間晶體等新奇物理現象。
“2024年10月，在長沙舉行的國防科技大學第四屆前沿交叉科技論壇上，團隊成員首次接觸到Floquet工程這一強大技術。”肖光宗說，可以把Floquet工程想象成一種非常有規律的訓練方法，就像讓士兵們聽著節拍器走路，引導他們跟上統一的節奏。“或許可用這種方法，讓聲子激光‘士兵’們形成更多、更有規律的‘隊列’。”
有了理論方向，實驗落實卻并非易事。經過團隊討論，實驗的關鍵是要讓非線性聲子激光發生周期變化。為此，他們首先嘗試用周期性地改變“捕獲光功率”來充當“節拍器”，希望能帶動聲子激光的載體做周期性運動。但幾個月過去了，實驗毫無進展。
既然“節拍”不夠明顯，那能不能把它放大？團隊成員靈光一閃，將調制裝置安裝在了能量更強的“泵浦激光”上。果然，這個調整讓“節拍”被顯著放大，實驗效果立刻有了起色。僅產生更多的頻率還不夠，它們還必須等間距、相位相干。緊接著，團隊讓相鄰的頻率“隊列”相互靠近、合并，最終形成能量集中、間距均勻的完美“梳齒”結構，成功做出了聲子激光頻率梳。
一把“尺子”開啟聲學傳感革命
“光頻梳的梳齒數量因不同研究和應用有所差異，少則幾十根，多至上百萬根。因此，我們實現的聲子激光頻率梳40余個梳齒，相較于光頻梳是比較少的。”肖光宗表示，團隊已通過其他原理，使聲子激光頻率梳齒超7000個，這個數量已超過一般光頻梳。
那么，聲子激光頻率梳的誕生，究竟能帶來哪些實際變革？
肖光宗舉了幾個例子。在水下探測領域，它將徹底改變傳統聲吶的精度局限。傳統聲吶采用連續聲波，測距精度僅能達到幾十微米，且無法實時監測；聲子頻梳雖能將精度提升到幾百納米，但依賴強度信號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量級，達到百納米。
“這意味著我們能監測海溝的微小變動、冰川的緩慢移動。”肖光宗說，海溝的地質活動往往以每分鐘幾十到幾百納米的速度進行，傳統設備無法捕捉，而聲子激光頻率梳可以實時、高精度地記錄這些變化，為地質災害預警、海洋地質研究提供關鍵數據。此外，在水下目標探測中，它能更清晰地識別小尺寸目標，比如潛艇的微小部件、水下機器人的精細操作，對水下工程具有重要意義。
在生物醫學成像領域，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多個頻率分量，相當于用‘多把尺子’同時測量。”肖光宗解釋，比如用10個頻率測量，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提升到納米級。未來，它或許能成為“納米級B超”，清晰觀測細胞內部的結構變化，為癌癥早期診斷、神經科學研究提供新工具。
而在計量領域，聲子激光頻率梳也有望發揮重要作用。目前，光頻梳無法覆蓋低頻段，而聲子激光頻率梳已能實現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，就能構建從赫茲級到太赫茲級的‘全頻段標尺’。”肖光宗表示，這將為量子計量、精密機械制造等領域提供更全面的校準方案。
“國防科技大學激光陀螺創新團隊由中國工程院院士高伯龍創建，有著五十多年的激光陀螺研究歷史。”羅暉表示，首個聲子激光頻率梳不僅構建了高性能聲子激光頻率梳新范式，更為離子系統、光子晶體系統等多種聲學平臺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傳感、片上頻譜操作、拓撲聲子學探索等領域具有廣闊的應用前景。
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