激光是一项重大的历史发明，对社会产生了无处不在的影响。这个概念也有跨学科的应用，如声子激光器和原子激光器。一个物理域中的激光可以被另一个物理域中的能量泵浦。然而，到目前为止，所有在实践中演示的激光器都只在一个物理领域激光。
在Science Advances 上发表的一篇新报告中，一个研究小组展示了光子和声子激光的同时过程。双域激光器具有多种应用，如光镊和声镊，用于进行机械传感，产生微波和执行量子处理。该团队希望这次演示能为多域激光相关应用开辟新的道路。
图：双域光纤激光器的工作原理。(A) TMF环形腔中基于前向互调SBS的双域(声子和光子)激光器的示意图。光纤中(B)后向SBS和(C)前向SBS的能量和动量守恒条件下的色散图。(D) 在频域中说明了同时产生声子和声子激光的工作原理。来源：Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841
研制双域激光器
激光是电子振荡器在射频和微波激射器在光学区域的微频率的延伸。激光有巨大的应用与新扩展的概念跨领域，如声学振荡器，也被称为sasers，和振荡器在原子或物质波。激光的概念传统上描述了基于受激发射的光学振荡器，尽管声子激光和原子/物质激光也很常见。
在一些应用中，光子和声子同时激光的过程是有用的。其中包括亚毫米级声学镊子的开发。结合超声和光子生物成像，提高成像质量和双域激光的范围跨越量子信息处理和传感。现有的演示表明，斯托克斯光学声波是声子激光的副产物。在这项工作中，Wang和他的同事们开发了一个耦合振荡器系统，该系统从同一源泵浦的两个不同的物理域中发出激光，以显示双域并发光子和声子激光如何增强光子和声子激光器的输出功率。
图：实验设置。(A)在10 m TMF环形腔中演示基于前向多模态SBS的双域同步声子和光子激光的实验装置。(B)在双域(声子和光子)激光中用作增益介质的减包层TMF的折射率分布。(C) TMF的显微镜横切面图像。(D) λ = 976 nm处TMF三种模式的实测模廓图。来源:Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841
原理
该团队利用正向受激布里渊散射产生低频弯曲声波;双模光纤中光子和声子的相互作用。低频声子被限制在硅纤维中，寿命长10毫秒。传播长度约为10米，声子也能产生激光。在实验装置中，光波的相干振荡增强声子的增益，反之亦然，从而在两个域中产生激光。
该团队指出，通过增加光泵功率来产生光子和声子激光，该设备的四种功能状态，其中斯托克斯光波和声波的增益必须超过它们的损失。实验人员设计了一种方法，允许声子能量在环形腔内，以促进声子激光。当声子激光功率被限制在腔内时，在耦合器的输出端可以看到斯托克斯光学激光。
实验
在实验中，研究人员使用了一个976 nm的光纤耦合泵浦二极管，最大输出功率为400 mW。他们使用热电冷却器来调节系统的功能温度。将泵浦发射成双模光纤耦合成外径环腔。
科学家们使用了一种由纯二氧化硅包层和氧化锗掺杂二氧化硅芯制成的简化包层双模光纤。由于声场扩展到整个包层，减小双模光纤包层尺寸的过程改善了声光场之间的重叠，从而增加了受激布里渊散射增益系数。
激光功率
该团队测量了声子激光输出功率作为注入环形腔的泵浦功率的函数，从而获得了对应于光子激光和声子激光的两个阈值。光子激光器的阈值泵浦功率为180 mW。当他们将泵浦功率增加到308 mW时，声子激光器也开始发出激光。
测量的阈值泵浦功率和输出激光功率与数值模拟结果一致。光子-声子激光器具有倒耗散层次结构，与现有标准相比，声发射线宽比泵浦激光线宽窄得多。
前景
通过这种方式，研究人员展示了不同物理域的两个相干耦合激光器如何执行各种实际任务。光和声具有不同的时空特性，与材料的相互作用也不同;因此，可以对它们的可用性进行不同的探索。这种现象耦合激光在两个不同的物理领域在同一腔是研究中的第一个结果。这个结果超越了已经建立的方法，包括相干耦合激光器，如激光二极管阵列。
双域激光器探索了前向多模态受激布里渊散射，实现了同一腔内光子和声子同步激光的耦合。由于缺乏高分辨率和高帧率的相机，研究小组在这项研究中没有直接观察声子激光功率。科学家们观察了几种与自发布里渊散射、光子激光和光子-声子激光相关的激光功能，这与双域激光的理论模型一致。这一结果将引领光学力学的未来发展，并将引领多域激光器和相关应用的发展。
