国防科大打造可测量声音的“尺子” (有视频)

文 ｜ 《中国科学报》 记者 王昊昊

日常生活中，人们用尺子丈量长度，精准又方便。在国防科技大学实验室里，科研人员造出一把特殊的“尺子”——它看不见、摸不着，却能丈量声音的世界。

这便是国防科技大学激光陀螺创新团队教授罗晖、副教授肖光宗课题组联合该校教授景辉团队，将弗洛凯工程（Floquet工程）应用于非线性声子激光中，首次实现的声子激光频率梳。其梳齿数量达到40余个，梳齿之间的相位相干性显著增强，为水下声学工程、生物医学成像等声学传感应用提供了一把新型“声尺”。研究成果近日在线发表于《科学进展》。

水下等领域呼唤“超级声尺”

想象一下，如果要测量一张桌子的长度，最直接的方法是用一把尺子。但若要测量地球到月球的距离，或细胞内部的微小结构，传统的尺子显然无能为力。

在光学领域，这种“尺子”已经存在，它就是光学频率梳（光频梳）。光频梳好比一把能测光的频率的“尺子”，科学家约翰·霍尔、特奥多尔·汉斯凭借光频梳在精密光谱学、原子钟、超快物理等领域的重要应用，共同获得了2005年诺贝尔物理学奖。作为光的“标尺”，光频梳已经为光通信、光谱检测、光学测距、光频钟等诸多领域带来革命性变化。

“光频梳的神奇之处在于，它能把不同频率的光精确地‘排列’起来，就像一个超级精准的齿轮组，能将极低频率和极高频率连接起来，实现前所未有的测量精度。”肖光宗说，但光也有短板，比如在水下，光会迅速衰减，传播不远。这时，声音就成了更好的选择。声波在水中的传播能力极强，损耗远小于光。因此，科学家们一直寻求在声学领域也制造出一把类似光频梳的“声尺”。

肖光宗（中）和团队成员探讨科学问题。王昊昊/摄

近十年来，科学家们在电机械系统、光机电系统和光机系统中，利用机械波混频、霍普夫分岔和非线性光机械耦合等机制，研制出了声子频梳。同时，科学家们正在探索声子频梳在水下测距、医学成像等方面的应用。然而，这类声子频梳是基于热声子产生的，其梳齿和梳齿之间并不具有相干性。

“早期的声子频梳就像一群没有经过训练的士兵，虽然也排成了队列，但彼此间步伐不一、杂乱无章。这种杂乱在科学上被称为缺乏相位相干性。”景辉解释说，没有相干性，就像用一把刻度模糊、晃动的尺子去测量，精度会大打折扣。

景辉介绍，声子激光就是一群步调完全一致的声子，是光学激光在力学领域的对应物。它攻克了声子频梳中梳齿不相干的问题，在基础研究和应用研究领域具有更广泛的价值。但声子激光频率梳一直未能实现，还没有人能做出这把“超级声尺”。

学术交流会听来的新思路

研制声子激光频率梳，就是造一把刻度又多又整齐、步调完全一致的“超级声尺”。它兼具光频梳的高精度和声子频梳在液体、固体中传播能力强的优点。

2023年，该团队发表于《自然-物理学》的一项成果成功构建非线性声子激光，但依旧面临梳齿数量少、梳齿间距难以调控等挑战。非线性声子激光具有多个声子激光谐波，但是数量非常有限。如何扩展声子激光的模式数量，且保证新生成的模式仍然具有相干性，成为团队首先要解决的难题。

“也就是说，我们已找到一群能‘齐步走’的‘声波士兵’，但这支队伍规模太小，因为梳齿少，且士兵间的间距，即梳齿间距没法自由调整。”肖光宗告诉记者，团队开始大量查阅文献，希望能启发新思路。

在茫然又焦头烂额的时候，一次学术交流给他们的研究带来转机。

Floquet工程，就是一种通过有节奏地、周期性地扰动一个系统，来控制和创造新物理状态的方法，已在诸多物理系统中展现出非凡的能力，成功诱导出时间晶体等新奇物理现象。

“2024年10月，在长沙举行的国防科技大学第四届前沿交叉科技论坛上，团队成员首次接触到Floquet工程这一强大技术。”肖光宗说，可以把Floquet工程想象成一种非常有规律的训练方法，就像让士兵们听着节拍器走路，引导他们跟上统一的节奏。“或许可用这种方法，让声子激光‘士兵’们形成更多、更有规律的‘队列’。”

有了理论方向，实验落实却并非易事。经过团队讨论，实验的关键是要让非线性声子激光发生周期变化。为此，他们首先尝试用周期性地改变“捕获光功率”来充当“节拍器”，希望能带动声子激光的载体做周期性运动。但几个月过去了，实验毫无进展。

既然“节拍”不够明显，那能不能把它放大？团队成员灵光一闪，将调制装置安装在了能量更强的“泵浦激光”上。果然，这个调整让“节拍”被显著放大，实验效果立刻有了起色。仅产生更多的频率还不够，它们还必须等间距、相位相干。紧接着，团队让相邻的频率“队列”相互靠近、合并，最终形成能量集中、间距均匀的完美“梳齿”结构，成功做出了声子激光频率梳。

一把“尺子”开启声学传感革命

“光频梳的梳齿数量因不同研究和应用有所差异，少则几十根，多至上百万根。因此，我们实现的声子激光频率梳40余个梳齿，相较于光频梳是比较少的。”肖光宗表示，团队已通过其他原理，使声子激光频率梳齿超7000个，这个数量已超过一般光频梳。

那么，声子激光频率梳的诞生，究竟能带来哪些实际变革？

肖光宗举了几个例子。在水下探测领域，它将彻底改变传统声呐的精度局限。传统声呐采用连续声波，测距精度仅能达到几十微米，且无法实时监测；声子频梳虽能将精度提升到几百纳米，但依赖强度信号的测量方式仍有局限；而声子激光频率梳凭借相位相干性，可将精度再提升两个量级，达到百纳米。

“这意味着我们能监测海沟的微小变动、冰川的缓慢移动。”肖光宗说，海沟的地质活动往往以每分钟几十到几百纳米的速度进行，传统设备无法捕捉，而声子激光频率梳可以实时、高精度地记录这些变化，为地质灾害预警、海洋地质研究提供关键数据。此外，在水下目标探测中，它能更清晰地识别小尺寸目标，比如潜艇的微小部件、水下机器人的精细操作，对水下工程具有重要意义。

在生物医学成像领域，声子激光频率梳同样潜力巨大。目前的B超采用特定频率的声波，成像分辨率受限于频率单一性，且易受生物组织噪声干扰。“声子激光频率梳有40多个频率分量，相当于用‘多把尺子’同时测量。”肖光宗解释，比如用10个频率测量，通过频率间的相互减法，能最大限度剔除组织噪声，将成像分辨率从微米级提升到纳米级。未来，它或许能成为“纳米级B超”，清晰观测细胞内部的结构变化，为癌症早期诊断、神经科学研究提供新工具。

而在计量领域，声子激光频率梳也有望发挥重要作用。目前，光频梳无法覆盖低频段，而声子激光频率梳已能实现从几赫兹到几十兆赫兹的覆盖。“如果能让声子激光频率梳的高频段与光频梳的低频段重叠，就能构建从赫兹级到太赫兹级的‘全频段标尺’。”肖光宗表示，这将为量子计量、精密机械制造等领域提供更全面的校准方案。

“国防科技大学激光陀螺创新团队由中国工程院院士高伯龙创建，有着五十多年的激光陀螺研究历史。”罗晖表示，首个声子激光频率梳不仅构建了高性能声子激光频率梳新范式，更为离子系统、光子晶体系统等多种声学平台生成声子激光频率梳提供重要思路。声子激光频率梳具备的高精度、可编程等特性，使其在高分辨率声学传感、片上频谱操作、拓扑声子学探索等领域具有广阔的应用前景。

相关论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv9984

《中国科学报》 (2025-09-24 第3版 领域)

编辑 | 赵路

排版 | 志海

本文转载自《中国科学报》微信公众号

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