声子激光器：自呼吸共振器的声激相干振动

2022-02-01 21:28:00邵士波导读激光发射(具有确定的波长(颜色)和相位的准直光束)是自组织过程产生的，在此过程中，光器干振发射中心的自呼振器集合使自己同步以产生相同的光粒子(光子)。类

激光发射(具有确定的吸共波长(颜色)和相位的准直光束)是自组织过程产生的，在此过程中，相动发射中心的声激集合使自己同步以产生相同的光粒子(光子)。类似的光器干振自组织同步现象也可能导致产生相干振动-声子激光器，其中声子类似于光子表示声音的自呼振器量子粒子。

光子激射最早是吸共在大约60年前被证明的，而恰巧是相动在阿尔伯特·爱因斯坦预测它的60年之后。这种刺激的声激放大光发射在多个领域中发现了前所未有的科学技术应用。

尽管几乎同时预测了“声音的光器干振激光”的概念，但到目前为止，自呼振器仅报道了很少的吸共实现方式，而且还没有达到技术成熟度。相动现在，来自Balseiro研究所和位于阿根廷Bariloche的CentroAtómico和位于柏林的Paul-Drude-Institut的研究人员之间的合作推出了一种新颖的方法，可以利用半导体结构有效地产生数十GHz范围内的相干振动。有趣的是，这种产生相干声子的方法是基于爱因斯坦的另一个预测：物质的第五态，是耦合的光物质粒子(极化子)的玻色-爱因斯坦凝聚物(BEC)。

极化子BEC是在半导体微腔的微结构阱中产生的，该微微阱由电子中心组成，这些电子中心夹在分布式布拉格反射器(DBR)之间，这些反射器设计为反射由中心发射的具有相同能量ωωC的光(请参见图1a)。当被具有不同能量ℏωL的光束光学激发时，DBR对其透明，中心的电子态会发射出能量为emitωC的光粒子(光子)，并在DBR处被反射。然后，光子再次被中心吸收。发射和重吸收事件的快速重复序列使得无法区分能量是以电子状态还是光子状态存储。一个宁可说的是，状态之间的混合会产生一个新的，轻物质粒子，称为极化子。此外，在高粒子密度下(并由陷阱引起的空间定位帮助)，极化子进入自组织状态，类似于激光中的光子，其中所有粒子同步发射具有相同能量和相位的光-极化子BEC激光。极化子BEC的特征标记是一条非常窄的光谱线，如图1b中的蓝色曲线所示，可以通过测量从微腔逸出的van逝辐射来检测。

使用的微腔镜(DBR)的另一个有趣特性是，它不仅可以反射特定波长范围内的光学(光)，还可以反射机械振动(声音)。结果，用于近红外光子的典型AlGaAs微腔也将振动量子化限制在声子上，能量ℏωa对应于大约20 GHz的振荡频率ωa/ 2p。由于DBR的光子反射为极化子BEC的形成提供了所需的反馈，因此，声子反射会导致声子总数的增加以及与极化子BEC的声子相互作用的增强。

极化子与声子之间如何相互作用?作为轮胎中的空气，高密度的极化子会在微腔镜上施加压力，该压力会触发并维持受限声子频率下的机械振荡。这些呼吸振荡会改变微腔尺寸，从而作用在极化子BEC上。正是这种耦合的光机械相互作用导致了在临界极化子密度以上的声音的相干发射。这种声子的相干发射的指纹是在能量为emissionωL的激光连续激发下BEC发射的自脉冲。这种自脉冲可以通过极化子BEC发射周围强边带的出现来识别，该边带被声子能量ℏωa的倍数所取代(参见图1b中的红色曲线)。

对图1b中边带幅度的分析表明，成千上万的单色声子构成了最终的振动状态，并作为20 GHz的相干声子激光束射向基板。该设计的基本特征是内部高强度和单色光发射器(极化子 BEC)对声子的刺激，它不仅可以像垂直腔表面发射激光器(VCSEL)一样被光学激发而且可以被电激发。此外，可以通过适当修改微腔设计来获得更高的声子频率。声子激光器的潜在应用 包括通信和量子信息设备中光束，量子发射器和栅极的相干控制，以及与未来网络技术相关的非常宽的20-300 GHz频率范围内的光-微波双向转换。