基于Floquet工程的光学镊子声子激光实现相干声学频率梳

研究人员通过结合Floquet工程与悬浮光力学系统，成功实现了基于微球声子激光的相干声学频率梳。该研究解决了传统声学频率梳中声子模式数量有限且缺乏相干性的问题，通过周期性调制泵浦功率，在保持声子激光相干特性的同时，显著增加了频率梳齿数并实现灵活调控。这项发表在《Science Advances》的工作为声学计量学提供了新型工具，在精密水下测距和声学成像等领域具有重要应用价值。

　　

在精密测量和量子声子学领域，如何产生具有高度相干性的多频率声子信号一直是个关键挑战。传统声学频率梳虽然能产生多频信号，但存在两个根本局限：一是基于热声子的机制导致信号相干性不足；二是受限于非线性波混频等方法的苛刻条件，难以灵活调控频率梳特性。更令人困扰的是，现有技术难以同时实现足够多的频率齿数和真正的相干声子态，这严重制约了声学频率梳在海洋环境监测等实际应用中的性能表现。

针对这些难题，中国科学院的研究团队在《Science Advances》发表创新成果，他们巧妙地将Floquet工程这一周期性调控技术与悬浮光力学系统相结合，首次实现了基于微球声子激光的相干声学频率梳。这项研究突破了传统声学频率梳的技术瓶颈，为声学计量学开辟了新途径。

研究人员主要采用了三项关键技术：首先利用双光束光学镊子悬浮SiO₂微球构建活性光力学系统；其次通过电子注入信号锁定多色声子激光的相位；最后应用周期性泵浦调制实现Floquet工程。实验系统包含波长分割复用器和双通道信号发生器等关键组件，通过精确控制调制频率Ω_mod和调制深度η来调控频率梳特性。

在结果部分，"Overview of the Floquet coherent acoustic frequency comb"展示了实验装置和频谱演化过程。研究发现，当调制频率与模式间隔匹配时，声子激光模式的边带重叠可形成等间距的相干声学频率梳。通过数值模拟验证，理论结果与实验观测高度吻合。

"Coherent phonon lasing behaviors"部分通过测量声子自相关函数g⁽²⁾(0)和g⁽³⁾(0)，证实所有Floquet驱动的梳齿都能达到真正的相干状态。当泵浦功率超过阈值P_th=34.7 mW时，声子统计从热态转变为相干态，这是实现相干声学频率梳的关键特征。

"Phase coherence of frequency combs"通过时域信号分析表明，微球位移和速度都呈现稳定的包络状态，包络频率与第一梳齿频率一致。相位噪声测量进一步证实，频率梳的相位稳定性优于非线性声子激光。

"Coherent acoustic frequency comb with Floquet engineering"系统研究了调制参数的影响。研究发现，通过调节Ω_mod可实现100Hz至10kHz的齿间距调控范围，这比现有技术提高了两个数量级。当调制深度η从3%增至34%时，能量从基模Ω₀向边带Ω_±1转移，同时梳齿数量显著增加。

这项研究的突破性在于首次实现了三个关键要素的有机结合：光学镊子的精密操控、声子激光的强非线性耦合以及Floquet工程的周期性调控。与以往基于热声子的声学频率梳不同，该工作产生的所有梳齿都满足声子激光的特征要求，具有真正的相干性。研究人员特别指出，这种相干声学频率梳不需要真空环境，通过结构光等技术增强声子激光品质因子后，有望在常规条件下实现应用。

这项研究的意义不仅在于实现了声学频率梳从"热"到"相干"的质变，更开辟了Floquet工程与声子激光物理交叉研究的新方向。所展示的灵活调控能力为声学计量学提供了强大工具，特别是在海洋环境监测等复杂场景中，相干声学频率梳的高稳定性将显著提升检测精度。未来，通过与水声换能器等设备结合，这项技术有望发展成实用的水下探测新方法。