我国学者首次造出超级“声尺”

科技日报记者 张强 通讯员 张照星

进行星间测距，或测量冰川的微小位移，刻度固定、精度有限的尺子显然无能为力，这时候光和声音就派上了用场。近日，国防科技大学激光陀螺创新团队罗晖教授、肖光宗副教授课题组联合该校景辉教授团队，在国际上首次造出声子激光频率梳，为水下声学工程、生物医学成像等声学传感应用提供了一把超级“声尺”。相关成果近日在线发表于《科学进展》杂志。

“声子激光频率梳，相当于一把刻度又多又整齐的超级‘声尺’。它兼具光子频率梳（光频梳）的高精度和声子频梳在液体、固体中传播能力强的优点。”罗晖告诉科技日报记者。

相比于“声尺”，能测量光的频率“光尺”早已广泛应用，这就是光频梳。2005年，科学家约翰·霍尔、特奥多尔·汉斯凭借光频梳在精密光谱学、原子钟、超快物理等领域的重要应用，共同获得了诺贝尔物理学奖。目前，光频梳已经为光通信、光谱检测、光学测距、光频钟等诸多领域带来革命性变化。但在固态、液态环境中，光频梳却显得力不从心。近年来，科学家们提出了基于热声子产生的声子频梳，然而这种声子频梳中代表刻度的“梳齿”和“梳齿”之间并不具有相干性。

“这就像用一把刻度模糊、晃动的尺子去测量，精度会大打折扣。”罗晖说，“产生相干的‘梳齿’是该领域一直难以克服的重要难题。”

声子激光被视为是解决这一难题的突破口。景辉介绍，“声子激光是一群‘步调完全一致’的声子，是激光在力学领域的对应物，它可以克服声子频率梳中‘梳齿’不相干的问题。但长期以来，声子激光频率梳一直未能实现。”

2023年，该联合团队发表于《自然·物理学》的一项成果成功构建了非线性声子激光，为产生相干的声子激光频率梳提供了手段。但是，依旧需要克服“梳齿”数量少、“梳齿”间距难以调控等挑战。进一步研究中，团队将弗洛凯工程应用于非线性声子激光中，通过引入周期性调制的弗洛凯泵浦信号，为多“梳齿”的产生与调控提供了手段，并实现了“梳齿”间距的灵活调节，成功实现了声子激光频率梳。令人振奋的是，这“把”声子激光频率梳，“梳齿”数量达到40余个，“梳齿”之间的相干性显著增强。

“实际应用中，‘梳齿’的数量和调节范围代表了声子激光频率梳的频率分辨能力。因此，本研究成果具有更广阔的应用场景。”景辉说。

肖光宗表示，该成果有望应用于水下探测、生物医学和量子计量等领域。