国防科技大学：首次实现压缩非线性声子激光——面向多模噪声抑制与精密测量 | 前沿进展

近日，国防科技大学成功实现了压缩非线性声子激光，声子激光基模压缩度达到国际先进水平，并首次实现了高阶模式的协同压缩。成果以“Themomechanically squeezed multi-mode phonon lasers with levitated optomechanics”为题，发表于国际学术期刊Nature Communications。论文的第一作者为国防科技大学博士生宋新涛，共同通讯作者为国防科技大学肖光宗副教授、罗晖教授和景辉教授。该研究得到国家自然科学基金、国家重大科技专项、湖南省杰出青年基金、湖南省重大科技攻关等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-75601-9

压缩是一种有效的噪声调控技术，以牺牲一个正交分量噪声为代价，压制另一个正交分量的噪声，在精密测量领域展具有的重要应用价值；例如，LIGO引力波探测器采用压缩光技术，使得探测灵敏度突破标准量子极限。在光力学中，压缩态的研究同样备受关注，目前国内外研究团队已在基于悬臂梁、薄膜以及悬浮纳米粒子等光力系统中取得了一系列进展。然而，这些工作大多针对热态或基态振子，对于声子激光的压缩相关探索十分有限。

所谓声子激光，即相干声子的集合，凭借高相干性、超窄线宽的独特优势，已经成为量子传感领域的前沿研究方向。近年来，该团队近年来围绕声子激光开展关键技术攻关，取得了一系列突破。

2023年，研究团队首次实现了非线性声子激光[Nat.phys. 19, 414 (2023)]；2024年，实现了迄今最“亮”的声子激光[elight 4, 17 (2024))]；2025年，首次产生了梳齿数量达40余个的声子激光频率梳[Sci. Adv. 11, eadv9984 (2025)]；2026年，将梳齿数量大幅拓展至6000个，实现了超宽带声子激光频率梳[Adv. Photon. 8, 220011 (2026)]。这些工作先后解决高亮度输出、多模式调控等核心难题，为声子激光的压缩研究奠定了重要基础。近期，美国罗彻斯特大学展示了声子激光压缩的可行性，实现纳米尺度微球声子激光的双模压缩。然而，微米尺度微球声子激光由于振荡频率低，更易受热噪声影响而退相干，压缩的难度将大幅度提升。

该研究团队创新性地将非绝热频率调控技术应用于非线性声子激光，在国际上首次实现了基于微米尺度微球的压缩态声子激光，并展示了基频与二次谐波模式的同步压缩能力，基模和二阶模的最大压缩度分别达到3.15±0.35dB和1.23±0.17 dB。同时，该方案规避了传统机械压缩严苛的实验条件，仅在约20 mbar低真空、室温条件下便可实现有效压缩，为声子激光噪声的进一步降低提供了高效且易于工程实现的技术路径。

声子激光压缩的核心在于非绝热频率跳变技术的应用。研究团队利用声光调制器（AOM）对捕获光功率进行方波脉冲调制，使微球振子的本征频率在Ω₁（2π × 17.8 kHz）与Ω₂（2π × 7.1 kHz）之间快速切换。当频率跳变的时间尺度远小于振荡周期时，系统将产生压缩效应，即某一正交分量的噪声被压制，而正交分量的噪声被放大。理论上，压缩度由频率比Ω₁/Ω₂决定，最大压缩出现在脉冲宽度τ = T₂/4时。

实验装置如图1a所示，研究人员在有源悬浮腔光力系统基础上加入了声光调制模块以实现捕获光功率的周期性调控。该系统的一个关键优势在于，有源腔通过掺Yb³⁺增益光纤提供了高达10⁹的腔精细度，使微球在约20 mbar的低真空条件下即可实现声子激光激发，大大降低了对超高真空的依赖。

图1 非线性声子激光压缩实验原理与结果。a非线性声子激光压缩的实验装置示意图。b声光调制器对捕获光功率的方波调制波形。c压缩过程中相空间分布演化的示意图。d实验测量的动量噪声方差比随时间演化的压缩与反压缩过程。插图为脉冲前（左）后（右）的相空间分布

实验结果表明，非绝热频率跳变能够有效压制非线性声子激光基频模式的动量噪声。研究人员测量了脉冲前后动量噪声方差之比σ²_t/σ²₀随时间的演化，如图1d所示。在脉冲作用后，系统经历了压缩（σ²_t/σ²₀ < 1）与反压缩（σ²_t/σ²₀ > 1）的交替过程，压缩效果在约3 ms后被热噪声完全退相干。

图2非线性声子激光基频模式的压缩。a压缩脉冲作用后微球相空间的演化。上图为相空间分布，下图为扣除声子激光平均振幅后的噪声分布。b归一化方差最小值随脉冲宽度τ的周期性变化，展示了一个完整的演化周期。当脉冲宽度τ= T₂/4时，压缩度达到最优值3.15±0.35 dB。c动量噪声方差比σ2 t/σ2 0和零时延二阶相关函数g^（2）(0)随光功率比P₁/P₂的变化关系，蓝色虚线为理论值。

通过系统研究压缩度随脉冲宽度和光功率比的变化规律，研究人员发现：当脉冲宽度τ = T₂/4 ≈ 35.53 μs时，压缩度达到最优值3.15 ± 0.35 dB（σ²_t/σ²₀ ≈ 0.484）。值得注意的是，在整个脉冲宽度范围内，二阶零时延自相关函数g^（2）(0)始终保持接近1，表明声子的相干性在压缩过程中得到了有效保持。

非线性声子激光在频谱上具有一系列谐波，即基频模式Ω₁伴随着二次谐波2Ω₁、三次谐波3Ω₁等高阶模式。研究人员发现，非绝热频率跳变不仅能压缩基频模式，还能同步压缩二次谐波模式。实验测得二次谐波模式的最优压缩度为1.23 ± 0.17 dB，对应的脉冲宽度为τ = T₂/8。

图3 非线性声子激光二次谐波模式的压缩。a脉冲作用后二次谐波模式相空间分布的测量结果。b微球动量噪声归一化方差随时间的演化曲线。c归一化方差随脉冲宽度τ的变化关系，当脉冲宽度为T₂/8和3T₂/8时分别出现较高程度的压缩

值得强调的是，基频与二次谐波模式的最优压缩条件并不相同，基频模式在τ = nT₂/4时达到最优，而二次谐波模式在τ = (2n−1)T₂/8时达到最优。这一差异源于两种模式在相空间中的旋转速度不同（Ω₁与2Ω₁），为实现多模式的选择性压缩提供了调控自由度。

该工作利用非绝热频率调控技术，在声子激光体系中实现了基频与二次谐波模式的热机械压缩。对比以往大多聚焦热态、基态机械振子的压缩实验，该研究实现两方面重要突破：一方面，将压缩技术拓展至声子激光这一非平衡相干声子源，且突破了大尺度微球声子激光压缩的难题；另一方面，依托非线性声子激光天然的多模特性，完成基频、二次谐波模式的同步压缩，这种多模式并行调控能力，在已报道的力学压缩方案中尚未实现。同时，整套实验仅需室温、约20 mbar低真空环境即可完成，摆脱了传统力学压缩实验对超高真空、复杂制冷系统的严苛依赖，为压缩声子激光走向实际应用扫清了关键实验条件障碍。

压缩声子激光在精密测量领域具有广阔的应用前景，借助本文中的压缩技术，有望将探测灵敏度进一步提升3dB。此外，将压缩技术与注入锁定、Floquet工程等手段相结合，有望实现多频段并行传感与动态范围拓展，为高精度力探测、质量传感和生物医学成像等领域带来新的突破。

编辑 | 徐睿