原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射两个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。声子，即类似于光子表示声音的量子粒子，也会发生类似于自组织同步现象的相干振动，这也就达成了“声子激光器”的理论基础。

光子受激辐射最早是在大约60年前被证明的，现如今已经在众多领域中实现了前所未有的科学技术应用。尽管在光子受激辐射被证明的同时，也预测了“声子激光”的概念，但截止目前，仅报道了极少的成功案例，其技术成熟度极低。

近日，来自巴尔塞罗研究所、巴里洛切（阿根廷）的阿特米科中心和柏林Paul-Drude-Institut的研究人员基于爱因斯坦“物质第五态”（玻色—爱因斯坦凝聚，Bose-Einstein Condensation，以下简称BEC）的预测共同提出了一种新型方法，可以利用半导体结构产生数10 GHz范围内的相干振动。

如图1（a）所示，在半导体微腔的微结构阱中产生了极化子BEC，其中微结构阱由夹在分布式布拉格反射器（DBR，旨在反射由中心发射的具有相同能量hω_C的光）之间的电子中心组成。当被具有不同能量hω_L的光束被激发时，电子中心会以能量hω_C的状态发射光子，并在DBR处发生反射，随后光子再次被电子中心吸收，这种发射和重新吸收的快速进行会导致无法区分能量是以电子状态还是光子状态存在。

根据BEC理论可以说明，在两个混合状态之间会产生一个新的状态，即轻物质粒子，也被称为极化子。此外，在高粒子密度的条件下，极化子进入自组织同步状态（类似于激光中的光子受激辐射状态），从而使得所有粒子同步发射出具有相同能量和相同相位的光，即极化子BEC激光。如图1（b）中的蓝色曲线所示，极化子BEC的特征曲线是一条非常窄的光谱线，可以通过测量由微腔逸出的隐失辐射来检测。

图1 （a）半导体微腔中微结构阱的极化子BEC和声子激射（b）在低（下部曲线）和高（上部曲线）粒子密度下的BEC发射，显示了声子能量为hω_a的声子边带

使用微腔镜（DBR）的另一个特性就是，它不仅可以反射特定波长范围内的光学，还可以反射机械振动（声音），这就导致用于近红外光子的AlGaAs微腔也会将振动（声子）的能量限制在hω_a（振荡频率ω_a/2pi约为20GHz）内。另外由于DBR的光子反射为极化子BEC的形成提供了所需的条件，因此声子反射会导致声子总数的剧增以及增强极化子BEC的声子相互作用。

类似于轮胎中的空气，高密度的极化子也会在微腔镜上施加压力，这会触发并维持一个固定频率下的机械振动，而这种振动会改变微腔的尺寸，并作用在极化子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子的相干发射。这种声子的相干发射特征是在能量为hω_L的连续激光激发下BEC发射的自脉冲。如图1（b）的红色曲线所示，通过极化子BEC发射hω_a整数倍的声子能量导致的强边带偏移曲线，可以识别出这种自脉冲。

对图1（b）中的边带振幅进行分析可知，成千上万的单色声子构成了最终的振动状态，并产生20 GHz频率的相干声子激光束出射。该设计方法的基本特征是内部高强度单色光发射器对声子的激发，即极化子BEC对声子的激发。

同VCSEL激光器一致，该方法不仅可以通过光学对其及进行激发，利用电学同样也可以达到该效果。此外，还可以通过当修改微腔设计来获得更高的声子频率。该方法下的声子激光器有望应用于未来通信及量子信息中的光源设备，也可以应用于未来光网络的宽带（20-300 GHz）光波-微波转化设备。

来源：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/fb-ap091120.php

☆ END ☆

微信分享

x

用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

网站内容来源于互联网、原创，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请在 20个工作日内与我们取得联系，联系方式：021-80198330。网站及新媒体平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。