多伦多大学华人团队首次观察到超窄光谱凹陷，为百年“布里渊散射”理论开辟新空间
source link: https://www.mittrchina.com/news/detail/10854
Go to the source link to view the article. You can view the picture content, updated content and better typesetting reading experience. If the link is broken, please click the button below to view the snapshot at that time.
麻省理工科技评论-多伦多大学华人团队首次观察到超窄光谱凹陷，为百年“布里渊散射”理论开辟新空间
“1922 年，法国物理学家莱昂·布里渊（Léon Brillouin）首次描述了布里渊散射，他那篇关于布里渊散射的原创论文到今年恰好 100 周年。我相信，假如布里渊先生知道，当把以他的名字命名的散射机制，应用到一个扭转介质上会有令人惊喜的结果，他一定会很高兴！”加拿大多伦多大学电子和计算机工程学院教授钱黎表示。
近日，她和团队首次观察到一个超窄的光谱凹陷。一位审稿人认为，该论文为探索扭曲介质中的布里渊效应开辟了空间，这在很大程度上是一个未被探索的领域。
其应用前景上如下：固体材料中的超窄光谱特征不仅罕见，而且非常有用。一个著名的定律称为克拉默斯-克罗尼关系。在该定律中，只要有一个窄的光谱振幅响应，就有一个相关的光谱相位响应。
后者意味着，材料在光谱凹陷周围的折射率也会发生急剧变化。正因此，超窄光谱特征被用来制造“慢光”，因为当光的频率在尖锐的光谱特征附近时，光的传播比平时慢得多。
这种慢光还可用于调控光存储、光学存储器等应用。由于光子是量子粒子，可以携带各种量子态，所以慢光现象也有望用于量子存储器。
超窄光谱特性的另一个应用，很明显是在传感方面。而且特征越窄，灵敏度越高。由于这种光谱凹陷对波长和偏振的变化都很敏感，故它能用于感应任何直接或间接引起光的波长、以及光的偏振态发生改变的变化，比如应力、温度、磁场的变化等。
反过来，这种光谱凹陷也可用来稳定波长或偏振态，比如能用它监测波长和偏振所带来的变化，并用它来激活的稳定反馈机制。
此外，亚兆赫兹特性也可作为一种窄光谱滤光器，从而用于微波光子学。在该领域里，光可以携带射频、或微波信号，以便利用光载波的巨大带宽、以及它们在光纤中极低的传输损耗。
然而，由于微波信号的频率比其光学载波要低得多，因此它们也需要更窄的滤波器来进行信号处理。虽然人们能从其光学载波中解调微波信号，并作为电信号进行处理。但在许多情况下，直接在光学域进行处理，会更容易和经济有效。所以，当人们需要光学领域的超窄滤波器时，此次发现可作为一个解决方案。
近日，相关论文以《无谐振器扭转增益介质中的亚兆赫兹光谱凹陷》（Sub-megahertz spectral dip in a resonator-free twisted gain medium）为题，发表在 Nature Photonics 上[1]。尼尔·乔克西（Neel Choksi）担任共同通讯兼一作，钱黎担任共同通讯作者。
观察到超窄的光谱凹陷，宽度小于 1 兆赫兹
如前所述，该团队此次观察到一个超窄的光谱凹陷，其宽度小于 1 兆赫兹。
此前，在没有谐振器的固态材料中，学界从未观察到这一现象。而在该工作里，研究人员在实验中使用的红外光的频率，大约是 200 太赫兹即 200 万亿赫兹。一个亚兆赫兹的光谱特性，大约是其频率的十亿分之一，可谓非常之窄。而为了在固态材料中获得如此窄的光谱凹陷，通常必须建立一个几乎没有损耗的谐振器，其品质因子数值必须不低于 10 亿。
因此，这是一项十分艰巨的任务，需要高度专业化的制造设施和工序。有些设备并不是可以现成买到的，但是课题组在不用谐振器、只用常规成品组件的情况下，观察到了这样的光谱凹陷。
在创造窄光谱凹陷中，其使用的“技巧”是将扭转的双折射介质和偏振相关增益结合起来，这意味着只有特定偏振态下的光才能被放大。
双折射——它的字面意思是有两个折射率。折射率是一种材料的特性，与光在真空中的传播速度相比，它会使光变慢，也会在介质交界面上弯曲光线。
有些材料有两种折射率，比如方解石。当进入这种双折射材料时，一束光可以分裂成两条具有正交偏振态的两束光。
双折射特性也可以在光纤里实现，比如，将光纤的纤芯变成椭圆状。
当光传入双折射介质、比如椭圆芯光纤中时，它会以两种偏振模式传播。从技术上讲，它们被称为本征态，因为一旦光以本征态被发射出去，在没有其他扰动的情况下，它在整个传播过程中都将保持在同一本征态。
当双折射介质被扭转时，它仍然有两个正交的本征态。但这一次，本征态会因光的频率变化而变化。基于此，结合这种频率依赖性和偏振相关增益，该团队得到了一个对输入光频率和输入光偏振非常敏感的系统。
其工作原理如下：假如光以正确的频率和正确的偏振态，入射到扭曲的双折射介质中，它就不会得到任何增益，而这个频率会处于光谱凹陷的最低点。
而现在，如果光的频率只变化一丁点，那么在此次案例中，只比凹陷频率低或高了不到 1 兆赫兹，这时它的偏振态就会稍微偏离本征态。因此，它的一部分能量会转到其正交偏振本征态上，同时会被放大。
这种放大是一种正反馈机制，它导致正交本征态的功率迅速增大，进而导致光的整体偏振态被“拉”到获得增益的偏振态上。因此，光频率一旦偏离光谱凹陷频率，就会获得高增益。
钱黎表示，此次所描述的现象好比一个反向激光作用。对于激光器来说，只有特定频率能获得高增益，光谱其他区域都没有增益。而在该研究的扭曲增益介质中，只有光谱凹陷频率处没有增益，但是在凹陷附近的任何其他频率都会有高增益。其结果就是不需要任何谐振器，就能实现超窄光谱凹陷。
期间，该团队使用布里渊增益作为偏振相关增益，并使用椭圆芯保圆光纤作为扭曲的双折射介质。有趣的是，尽管布里渊增益已经为人所知几十年，而椭圆芯保圆光纤也被商业使用，特别是用于电流传感。但是，这种超窄光谱凹陷以前从未被报道过。
“所以，当我和学生尼尔·乔克西，为这种光谱凹陷找到解释时，我们也问自己，为什么这种现象一直未被科学家们发现？事实证明，我们只是非常幸运地‘偶然发现’了这个凹陷。不管是谁，有几个因素必须凑巧出现，才能观察到这个凹陷。”钱黎说。
观察步骤具体如下：首先要想获得布里渊增益，就需要一个泵浦激光输入和一个对向传播信号激光输入。泵浦输入和对向信号，都必须处于它们各自的本征模式之一。而且，泵浦输入的本征态必须与对向信号正交。哪怕光的偏振态，对这些约束条件有非常轻微的偏离，也会让这种光谱凹陷消失。
其次，扭曲双折射介质必须有相当程度的扭转、和相当程度的双折射特性。对于给定的双折射率，太多、或太少的扭转都会导致这种凹陷消失。“所以我们真的需要一种‘金发姑娘’（英语典故，意为‘刚刚好的’）光纤。我们很幸运地拥有这种光纤，才得以偶然发现了一个以前没有人观察到的现象。”钱黎表示。
对于本次成果，还有位审稿人表示：“尽管之前有大量论文研究了非线性极化效应，但本次结果是相当独特的，我从未听说以前有类似效应的验证。这里提出的技术也能使用其他形式的非线性增益来实现。另一个有趣的特点是，光谱凹陷使用了市场上购买的光纤，这为使用可定制设备的进一步发展打开了空间。”
悉尼大学纳米研究所教授本杰明· J·埃格尔顿（Benjamin J. Eggleton）认为，该论文成果可能在超窄线宽滤光器方面有一些很好的应用，也有望实现微波光子链路，从而帮助人们理解微波滤光器的性能。
“金发姑娘”
据钱黎介绍，最初他们本不打算做成一个项目。它始于一个偶然的发现，罗伊娜·卡西米（Rojina Ghasemi）是她以前的一个研究生，当时罗伊娜正在做一个项目，将扭转光纤的布里渊增益用于光学传感，以作为硕士毕业课题。
“我帮她建立了测量布里渊增益的实验，并向她展示了如何调整输入光的偏振来最大化布里渊增益。但有一天，她出现在我的办公室说，她观测到了光谱凹陷，而不是峰！所以她是第一个观察到这种凹陷的人。这一现象引起了我的兴趣，因为布里渊收益谱出现凹陷是非常不寻常的。我的第一反应是一定是光谱‘烧孔效应’，这是激光中众所周知的现象。但这个凹陷对偏振存在着高度敏感。”钱黎回忆称。
此外，当泵浦输入和信号偏振平行、或布里渊增益达到最大时，都不会产生凹陷。而且，光谱“烧孔效应”从来不会这么窄。所以，钱黎认为它不太可能是“烧孔效应”。
同时，她怀疑这与光纤是一种扭曲的双折射光纤有关，也与偏振相关的布里渊增益有联系。但想深入地研究，还需要更多资源，而他们当时并不具备。
事实上，调查这种光谱凹陷，从来都不是一个被资助的项目。几年后，钱黎有了一位博士后研究员——来自中国的刘翳博士，他在武汉理工大学的部分资助下，来到钱黎实验室工作。
于是，钱黎把完全弄清楚这一现象的任务交给了他。基于该团队此前在文献中找到的布里渊增益建模工作，刘毅通过建立模型去模拟扭转光纤中的布里渊增益。但是，课题组并没有模拟中得到光谱凹陷。
提到这里，钱黎说：“我们不能通过简单地运行这个模型来找到光谱凹陷，因为必须给模型提供泵浦和信号的精确偏振状态，才能有机会获得光谱凹陷。比如，通过扫描整个庞加莱球（偏振空间）来找到正确的发射偏振状态，我们试过这样做，但是就像大海捞针一样没有结果。
因此，刘翳的后半部分时间，主要用于改进实验测量方法。之后，我们便能观察到亚兆赫兹范围的凹陷。他的实验还表明，通过调整信号的偏振态，可以改变凹陷在光谱中的位置。”
但是，最初为什么会出现下降仍然是个谜。由于该项目没有资金资助，自刘翳离开后就一直被搁置。同时，钱黎的主要研究领域是量子光学和非线性光学，所以这一项目并不具备优先级。
当来自印度的本科实习生尼尔·乔克西（即本次论文一作兼通讯）出现时，钱黎决定让他试着“破解难题”。”当我告诉他，这种超窄光谱凹陷是一种世界上没有人能解释的现象时，他跃跃欲试。他花了 6 个月的实习时间，来学习背景知识和理解此次问题。幸运的是，一年后他以博士生的身份回到了我的小组，并继续研究这个问题。”钱黎说。
这时，他们已经明白这样一件事：必须放弃寻找正确极化状态的“蛮力”，真正需要做的是寻找正确的发射极化状态。
于是，他们开始研究索尔克滤光器。这是一种双折射滤光器，由位于两个偏振器之间的旋转双折射板组成。而旋转双折射板是一个离散版本的连续保圆纤维，会受到偏振损耗、以及模拟偏振相关增益的影响。
可惜的是，索尔克滤光器模型并没有产生一个狭窄的光谱凹陷。相反，具有等效双折射特性和光纤长度的索尔克滤光器的光谱特征，会产生大约 10GHz 的光谱特征，比凹陷频率高出大约 5 个数量级。
其原因在于，缺乏作为正反馈机制的增益。换句话说，他们并不能使用偏振依赖的损耗，来模拟偏振依赖增益。于是，其又回到保圆光纤的布里渊增益模型。
当尼尔·乔克西采用旋转参考系，对保圆光纤进行建模时，研究终于取得突破。他发现在该旋转参考系中，本征模没有沿光纤变化。这时钱黎意识到，如果泵浦和信号以正交偏振本征态发射，它们将在整个光纤中保持正交。
值得注意的是，泵浦和信号在光纤中是对向传播的。一般来说，它们的偏振正交性不能在整个光纤中得到保证。对于泵浦和信号来说，以正交本征态进行发射，是它们始终保持这种正交性的关键。
这也能解释为何在光谱凹陷处几乎没有增益。那么，在偏振依赖增益的影响下，本征模的频率依赖性，是否会带来超窄光谱形状？尼尔·乔克西的模拟表明答案是肯定的，这说明他们终于解决了这个谜团！
而在建模和实验验证中，仍有很多细节得处理。通过进一步研究后他们还发现，该纤维必须是“金发姑娘”纤维，即只有同时具备均衡双折射特性和扭曲量，才能使这种凹陷变得显著。
另外，在审稿人的建议下，该团队进行了进一步的实验调查，以证明此次观察到的布里渊增益是各向同性的，并消除了对“光谱烧孔效应”作为替代解释的任何可能性。
接下来，钱黎打算以一种原理性证明的方式，演示验证上面提到的一些应用。她还表示，即使在一个被认为是、经过充分研究和确立的课题下，仍有许多“未解之谜”，布里渊散射便是一个例子。
同时，意识到一个新现象、并坚持不懈地寻找背后原因，这也非常重要。她说：“我知道固体材料中的超窄光谱特征是特别不寻常的。所以，投入时间和资源来弄清楚它产生的原因和机制是值得的，尽管我从来没有因为这个项目获得过任何正式的资金。
而激励有动力的学生也很重要。仍然记得，当我向尼尔·乔克西提到，这是一种地球上没有人能解释的现象时，他眼睛里散发出的光芒。我认为，是他内心强烈的动力让他度过了期间的困难时刻。而他的坚持和毅力最终赢得了胜利。”
支持：王贝贝
参考资料：
1.Choksi, N., Liu, Y., Ghasemi, R. et al. Sub-megahertz spectral dip in a resonator-free twisted gain medium. Nat. Photon. 16, 498–504 (2022).https://doi.org/10.1038/s41566-022-01015-w
Recommend
About Joyk
Aggregate valuable and interesting links.
Joyk means Joy of geeK