用声波激光锁定的微型光梳观测

腔光力学和耗散克尔孤子微梳是两个长期平行发展的研究领域，过去尚未发现它们各自元素间的相互作用。本文在同一微谐振器中实现了克尔孤子微梳与光机械振荡的相互同步。研究人员通过布里渊-克尔微梳系统，产生了一种此前未知的呼吸孤子（呼吸子），这种孤子能以呼吸频率驱动微谐振器的机械模式进入受迫振荡。当呼吸频率调谐至接近系统机械频率时，呼吸孤子与被激发的机械振荡会突然锁定，进入同步状态。这种锁定状态下，呼吸频率几乎保持不变，且在泵浦激光相当宽的频率范围内稳定存在。

实验中使用了二氧化硅微环谐振器，该谐振器同时支持克尔非线性、受激布里渊散射和腔光力学效应。其布里渊模式的加载品质因数高达1.85×10⁸，机械品质因数为739（对应541.3 kHz的冠形模式）。通过30 mW的泵浦光并扫描其频率，当泵浦频率降低到一定程度时，克尔孤子会进入呼吸状态：微梳各模式的功率发生周期性振荡，这种呼吸子的光谱包络呈sech²(x)函数形式，其形成源于孤子与背景光（布里渊激光）间的能量交换——实验和数值模拟均显示，呼吸子的梳齿功率同相振荡，而背景光功率与之反相振荡，表明两者存在周期性能量交换。

通过调节泵浦频率改变呼吸频率，当呼吸频率接近微谐振器的本征机械频率时，观察到呼吸频率突然锁定：原本随泵浦频率近似线性增加的呼吸频率，在锁定范围内保持几乎固定的值，直至超出锁定范围才恢复线性趋势。锁定状态下，光机械振荡（声子激光）的线宽大幅缩减至1 Hz量级，远窄于未锁定时的呼吸子线宽。同时，锁定呼吸孤子的相位噪声显著降低（在1 kHz频偏处，锁定态相位噪声为-62 dBc/Hz，未锁定态为-39 dBc/Hz），长期稳定性也提升了两个数量级（通过阿伦偏差衡量）。

这种相互锁定现象源于同一器件内腔场模式与机械模式的适当相互作用，而非外部信号控制。它标志着腔光力学与克尔孤子微梳这两个重要领域的有意义结合，为探索新物理现象（如呼吸孤子的次谐波捕获、脉冲光力学、机械孤子等）和潜在应用（如高分辨率孤子双微梳）奠定了基础。