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装置和结构

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光学镊子有助于制造声子激光

光学镊子的插图
罗彻斯特(Rochester)的研究人员正在一系列实验中,将纳米尺寸的二氧化硅珠捕获在光学镊子中,这些实验可能会为激光器的基本特性提供新的视角-也许会带来更好的传感器和其他设备。 (罗切斯特大学插图/迈克尔·奥萨德乔)

明年将庆祝其成立60周年的光学激光器已导致了一系列改变我们生活的技术应用,研究人员希望其机械模拟物(声子激光器)有一天同样重要。一个团队 罗切斯特大学罗切斯特理工学院两家公司现在都在纽约成功地使用光学镊子(或偶极阱)制造了基于悬浮在真空中的玻璃纳米球的声子激光器。该设备首次在介观质量范围内工作,不仅可以用来帮助解决量子力学中的基本问题,而且还可以在精密计量学应用中找到用途。

研究人员一直在研究声子激光-一种用于声音而不是光的相干光束放大器–在过去的十年中。在这种设备中,声子(是材料晶格振动的最小离散单位)被放大,以产生高度相干的声束,其方式与光学激光器产生高度相干的光束相同。

在光学镊子上扩展

领导的团队 尼克·瓦米瓦卡斯 现在,通过在光学镊子上进行扩展,已将悬浮的光机械模拟物制成了光学激光器。众所周知,这种光学偶极子陷阱最初是由美国物理学家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)发明的,他最近获得了诺贝尔物理学奖的一部分。它依靠高度聚焦的激光束提供吸引力或排斥力,以在光束的轨迹中物理固定和移动微米级的物体。

新的声子激光器的频率可以调节,它基于由声子组成的硅纳米球的质心振荡,Vamivakas及其同事的实验设备由自由空间光偶极子陷阱组成,将纳米球悬浮在真空室中。然后研究人员采用了一种基于纳米球光散射的反馈技术。“通过测量散射光,我们可以改变磁珠的振荡方式,并增加以声子为单位的能量输出,” says Vamivakas.

“如果做得正确,我们可能会导致振荡开始于一个振幅,然后变得越来越大,直到我们开始表现出类似于您打开普通光学激光器所看到的机械运动。”

控制稳态,相干声子的数量

“这项技术使我们能够以正确的方式调制将纳米球保持在阱中的激光束产生的光势,以产生声子激光。” Vamivakas解释说。 “然后,反馈信号控制球的质心动力学。

“一个信号提供质心声子的非线性参数冷却,而另一个信号则引起质心声子的线性放大,”他说。 “从原理上讲,这使我们能够将稳态,相干声子控制在量子范围内。”

介观质量体系

新设备在介观质量范围内运行-约为1 x 10-18 公斤。这使其不同于先前演示的在微米级(1 x 10-9 kg)和原子尺度(1 x 10-25 公斤)。

“在这两个比例之间存在很大的质量范围,这就是我们的设备工作的范围,” Vamivakas tells 物理世界. “它的独特之处还在于它利用了悬浮的物体。除单个被捕获的原子外,迄今为止,所有其他声子激光器都已在机械夹紧或系留平台中得到了证明,在该平台中,激光器已附着到基板上。

“使用悬浮物体可提供其他设置中无法实现的高度机械隔离。”

技术很容易扩展到其他材料

他补充说,新的激光器可能有助于提高精密计量学。而且,这项研究中采用的技术已发表在 自然光子学 10.1038 / s41566-019-0395-5对悬浮在光学偶极阱中的粒子的结构细节不敏感。这意味着它可以很容易地扩展到其他材料,例如单电子,悬浮液滴甚至是生物。

该小组还包括来自 洛斯阿拉莫斯国家实验室,说现在正在忙于探索光学激光器与其声子表亲之间的联系。“我们还在研究如何在悬浮光机系统中提高激光器精度的方法,” reveals Vamivakas.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者