近日，Advanced Photonics期刊发表了一项关于声学频率梳的研究成果。来自国防科技大学、湖南第一师范学院等机构的研究人员，与日本理化学研究所、新加坡国立大学、密歇根大学等国际团队合作，研制出高性能的超宽带声子激光频率梳：梳齿数量高达6000根、带宽跨越六个数量级，多项性能指标达领域领先水平。
光学频率梳由一系列等间隔的谱线组成，如同一把精密的“光尺”，在精密计量、光谱学和天文学等领域发挥了重要作用。声学频率梳则是其在机械振动领域的对应物，将声音或机械振动组织成等间隔的频率序列。由于声波与物质的相互作用方式与光截然不同，声频梳在水下探测、结构缺陷检测和生物医学超声等应用场景中具有独特优势。
然而，现有的声学频率梳存在明显局限：工作频段通常局限于百千赫兹级别的高频超声区域，梳齿数量仅有数百根，带宽受限，难以满足更广泛的应用需求。
核心突破：声子激光机制
这项研究的关键创新在于采用声子激光（phonon laser）机制产生机械振动。研究团队构建了一个主动光力腔系统：一片厚度仅100纳米的氮化硅（SiN）薄膜——表面镀有30纳米金层以提升反射率——作为机械振子，被置于低真空环境（气压低于1 kPa）中；腔内掺镱增益光纤提供光学增益，激光以顺时针和逆时针方向循环传播。
系统的核心物理机制是耗散型光力耦合。当泵浦功率增至约138毫瓦的阈值以上时，光辐射压力使薄膜产生显著形变，腔内增益补偿光学损耗并增强光力耦合强度，薄膜从热运动状态跃迁至声子激光态——机械振动变得相干且强度高度有序，类似于光学激光，但以声波形式呈现。此时，通过调节反射镜角度，薄膜可在两个不同的本征频率（Ωₐ和Ωb）及其高次谐波（2Ωₐ、3Ωₐ等）上稳定振动。
实验证实，该声子激光频率梳具备声子激光的典型特征：声子数阈值行为、线宽窄化，以及二阶自相关函数g⁽²⁾(0)趋近于1——标志着从热态到相干态的转变。其中，g⁽²⁾(0)=1的激光相干特征是此前声学频率梳实验尚未被观测到的。
这项研究实现的声子激光频率梳拥有6000根梳齿，带宽从10赫兹延伸至14兆赫兹，跨越六个数量级，覆盖了从次声、可听声到超声的广阔频段。论文指出，这项研究为水下传感、缺陷检测、生物医学超声等领域的潜在应用开辟了新可能。
该系统的实现无需复杂的结构设计或精密的外部反馈控制，有助于拓展其实际应用场景。目前该系统在最高1千帕气压下工作。研究团队展望，通过耗散稀释（dissipation dilution）和超表面工程等先进纳米加工技术提升薄膜机械品质因数、降低空气阻尼，有望实现常压环境下的稳定运行，从而大幅拓展这项技术的实用化前景。
