Физики усилили яркость высших гармоник фононного лазера в тысячи раз и увеличили время его работы с нескольких минут до одного часа. Для этого они инжектировали в систему электроны и усилили ее оптической накачкой. Мощность второй, третьей и четвертой гармоник стала достаточной для прикладных целей: гидролокации, диагностики материалов и акустического позиционирования. Результаты исследования опубликованы в eLight.
Принцип работы фононного (акустического) лазера почти такой же, как и у оптического: с помощью накачки создается инверсная населенность энергетических уровней, затем происходит спонтанный переход частиц на более низкий уровень энергии с испусканием фононов, которые стимулируют рождение еще большего числа идентичных квантов звуковой волны. При этом фононные лазеры обладают меньшей длиной волны (порядка единиц нанометров) по сравнению с оптическими, что важно, например, в квантовой метрологии.
Чтобы массово применять фононные лазеры, иногда необходимо использовать несколько частот, кратных основной — так называемые высшие гармоники. Сам процесс генерации этих гармоник в акустическом излучателе не вызывает трудностей. Однако выходная мощность и ширина спектра кратных мод фононных лазеров далеки от приемлемых значений.
Сяо Гуаньцзунь (Guangzong Xiao) и его коллеги из Оборонного научно-технического университет НОАК в несколько тысяч раз усилили яркость основной моды фононного лазера и его высших гармоник, а также увеличили время работы устройства с 13 минут до 1,2 часа. Таких результатов ученым помогла добиться инжекция электронов в систему, а также оптическое усиление с помощью лазера.
Для этого физики захватили лазерным пинцетом стеклянную микросферу и поместили ее в вакуумную камеру. Получившуюся LOM-систему ученые усилили оптически с помощью непрерывного лазерного излучения. В довершение исследователи расположили электрод из полированной нержавеющей стали на расстоянии трех миллиметров от микросферы. Этот электрод, управляемый функциональным генератором, инжектировал электроны в систему и заставил микросферу дополнительно смещаться под действием электрического поля, увеличив амплитуду колебаний с 127 до 146 нанометров.
Исследователи измерили ширину спектра основной моды (частота 10 килогерц) и гармоник высшего порядка до инжекции электронов и после. Оказалось, что спектральная плотность мощности основной моды выросла почти в тысячу раз. Аналогичный параметр для второй и третьей гармоники увеличился на четыре порядка, а ширина спектральных линий мод сузилась с 400-500 герц до 1,5 миллигерца. Яркость четвертой гармоники (частота моды 40 килогерц) усилилась примерно на три порядка.
При анализе результатов эксперимента авторы работы также заметили, что в отсутствие электронной инжекции частота излучения фононного лазера дрейфовала из-за тепловых шумов, что приводило к выходу стеклянной микросферы из ловушки уже через 13 минут после начала работы. Когда инжекцию электронов включили, то время жизни микросферы в ловушке увеличилось примерно до 1,2 часа.
Как отметили авторы работы, их исследование должно стать ключевым шагом к применению нелинейных фононных лазеров в акустическом позиционировании, гидролокации, материаловедении, а также широкополосных фононных датчиках и ультразвуковой медицинской диагностике.
Мы уже рассказывали о фононах простым языком в нашем материале «Квантовая азбука: „Зоопарк квазичастиц“», а о том, как физики показали быструю синхронизацию двух фононных лазеров, мы писали ранее.