“1922 年，法国物理学家莱昂·布里渊（Léon Brillouin）首次描述了布里渊散射，他那篇关于布里渊散射的原创论文到今年恰好 100 周年。我相信，假如布里渊先生知道，当把以他的名字命名的散射机制，应用到一个扭转介质上会有令人惊喜的结果，他一定会很高兴！”加拿大多伦多大学电子和计算机工程学院教授钱黎表示。
（来源：Nature Photonics）
近日，她和团队首次观察到一个超窄的光谱凹陷。一位审稿人认为，该论文为探索扭曲介质中的布里渊效应开辟了空间，这在很大程度上是一个未被探索的领域。
其应用前景上如下：固体材料中的超窄光谱特征不仅罕见，而且非常有用。一个著名的定律称为克拉默斯-克罗尼关系。在该定律中，只要有一个窄的光谱振幅响应，就有一个相关的光谱相位响应。
后者意味着，材料在光谱凹陷周围的折射率也会发生急剧变化。正因此，超窄光谱特征被用来制造“慢光”，因为当光的频率在尖锐的光谱特征附近时，光的传播比平时慢得多。
这种慢光还可用于调控光存储、光学存储器等应用。由于光子是量子粒子，可以携带各种量子态，所以慢光现象也有望用于量子存储器。
超窄光谱特性的另一个应用，很明显是在传感方面。而且特征越窄，灵敏度越高。由于这种光谱凹陷对波长和偏振的变化都很敏感，故它能用于感应任何直接或间接引起光的波长、以及光的偏振态发生改变的变化，比如应力、温度、磁场的变化等。
反过来，这种光谱凹陷也可用来稳定波长或偏振态，比如能用它监测波长和偏振所带来的变化，并用它来激活的稳定反馈机制。
此外，亚兆赫兹特性也可作为一种窄光谱滤光器，从而用于微波光子学。在该领域里，光可以携带射频、或微波信号，以便利用光载波的巨大带宽、以及它们在光纤中极低的传输损耗。
然而，由于微波信号的频率比其光学载波要低得多，因此它们也需要更窄的滤波器来进行信号处理。虽然人们能从其光学载波中解调微波信号，并作为电信号进行处理。但在许多情况下，直接在光学域进行处理，会更容易和经济有效。所以，当人们需要光学领域的超窄滤波器时，此次发现可作为一个解决方案。
近日，相关论文以《无谐振器扭转增益介质中的亚兆赫兹光谱凹陷》（Sub-megahertz spectral dip in a resonator-free twisted gain medium）为题，发表在 Nature Photonics 上[1]。尼尔·乔克西（Neel Choksi）担任共同通讯兼一作，钱黎担任共同通讯作者。
（来源：Nature Photonics）
观察到超窄的光谱凹陷，宽度小于 1 兆赫兹
如前所述，该团队此次观察到一个超窄的光谱凹陷，其宽度小于 1 兆赫兹。
此前，在没有谐振器的固态材料中，学界从未观察到这一现象。而在该工作里，研究人员在实验中使用的红外光的频率，大约是 200 太赫兹即 200 万亿赫兹。一个亚兆赫兹的光谱特性，大约是其频率的十亿分之一，可谓非常之窄。而为了在固态材料中获得如此窄的光谱凹陷，通常必须建立一个几乎没有损耗的谐振器，其品质因子数值必须不低于 10 亿。
因此，这是一项十分艰巨的任务，需要高度专业化的制造设施和工序。有些设备并不是可以现成买到的，但是课题组在不用谐振器、只用常规成品组件的情况下，观察到了这样的光谱凹陷。
在创造窄光谱凹陷中，其使用的“技巧”是将扭转的双折射介质和偏振相关增益结合起来，这意味着只有特定偏振态下的光才能被放大。
双折射——它的字面意思是有两个折射率。折射率是一种材料的特性，与光在真空中的传播速度相比，它会使光变慢，也会在介质交界面上弯曲光线。
有些材料有两种折射率，比如方解石。当进入这种双折射材料时，一束光可以分裂成两条具有正交偏振态的两束光。
（来源：Nature Photonics）双折射特性也可以在光纤里实现，比如，将光纤的纤芯变成椭圆状。
当光传入双折射介质、比如椭圆芯光纤中时，它会以两种偏振模式传播。从技术上讲，它们被称为本征态，因为一旦光以本征态被发射出去，在没有其他扰动的情况下，它在整个传播过程中都将保持在同一本征态。
当双折射介质被扭转时，它仍然有两个正交的本征态。但这一次，本征态会因光的频率变化而变化。基于此，结合这种频率依赖性和偏振相关增益，该团队得到了一个对输入光频率和输入光偏振非常敏感的系统。
其工作原理如下：假如光以正确的频率和正确的偏振态，入射到扭曲的双折射介质中，它就不会得到任何增益，而这个频率会处于光谱凹陷的最低点。
而现在，如果光的频率只变化一丁点，那么在此次案例中，只比凹陷频率低或高了不到 1 兆赫兹，这时它的偏振态就会稍微偏离本征态。因此，它的一部分能量会转到其正交偏振本征态上，同时会被放大。
这种放大是一种正反馈机制，它导致正交本征态的功率迅速增大，进而导致光的整体偏振态被“拉”到获得增益的偏振态上。因此，光频率一旦偏离光谱凹陷频率，就会获得高增益。
（来源：Nature Photonics）钱黎表示，此次所描述的现象好比一个反向激光作用。对于激光器来说，只有特定频率能获得高增益，光谱其他区域都没有增益。而在该研究的扭曲增益介质中，只有光谱凹陷频率处没有增益，但是在凹陷附近的任何其他频率都会有高增益。其结果就是不需要任何谐振器，就能实现超窄光谱凹陷。
期间，该团队使用布里渊增益作为偏振相关增益，并使用椭圆芯保圆光纤作为扭曲的双折射介质。有趣的是，尽管布里渊增益已经为人所知几十年，而椭圆芯保圆光纤也被商业使用，特别是用于电流传感。但是，这种超窄光谱凹陷以前从未被报道过。
“所以，当我和学生尼尔·乔克西，为这种光谱凹陷找到解释时，我们也问自己，为什么这种现象一直未被科学家们发现？事实证明，我们只是非常幸运地‘偶然发现’了这个凹陷。不管是谁，有几个因素必须凑巧出现，才能观察到这个凹陷。”钱黎说。
观察步骤具体如下：首先要想获得布里渊增益，就需要一个泵浦激光输入和一个对向传播信号激光输入。泵浦输入和对向信号，都必须处于它们各自的本征模式之一。而且，泵浦输入的本征态必须与对向信号正交。哪怕光的偏振态，对这些约束条件有非常轻微的偏离，也会让这种光谱凹陷消失。
其次，扭曲双折射介质必须有相当程度的扭转、和相当程度的双折射特性。对于给定的双折射率，太多、或太少的扭转都会导致这种凹陷消失。“所以我们真的需要一种‘金发姑娘’（英语典故，意为‘刚刚好的’）光纤。我们很幸运地拥有这种光纤，才得以偶然发现了一个以前没有人观察到的现象。”钱黎表示。
对于本次成果，还有位审稿人表示：“尽管之前有大量论文研究了非线性极化效应，但本次结果是相当独特的，我从未听说以前有类似效应的验证。这里提出的技术也能使用其他形式的非线性增益来实现。另一个有趣的特点是，光谱凹陷使用了市场上购买的光纤，这为使用可定制设备的进一步发展打开了空间。”
悉尼大学纳米研究所教授本杰明· J·埃格尔顿（Benjamin J. Eggleton）认为，该论文成果可能在超窄线宽滤光器方面有一些很好的应用，也有望实现微波光子链路，从而帮助人们理解微波滤光器的性能。
“金发姑娘”
据钱黎介绍，最初他们本不打算做成一个项目。它始于一个偶然的发现，罗伊娜·卡西米（Rojina Ghasemi）是她以前的一个研究生，当时罗伊娜正在做一个项目，将扭转光纤的布里渊增益用于光学传感，以作为硕士毕业课题。
“我帮她建立了测量布里渊增益的实验，并向她展示了如何调整输入光的偏振来最大化布里渊增益。但有一天，她出现在我的办公室说，她观测到了光谱凹陷，而不是峰！所以她是第一个观察到这种凹陷的人。这一现象引起了我的兴趣，因为布里渊收益谱出现凹陷是非常不寻常的。我的第一反应是一定是光谱‘烧孔效应’，这是激光中众所周知的现象。但这个凹陷对偏振存在着高度敏感。”钱黎回忆称。
此外，当泵浦输入和信号偏振平行、或布里渊增益达到最大时，都不会产生凹陷。而且，光谱“烧孔效应”从来不会这么窄。所以，钱黎认为它不太可能是“烧孔效应”。
同时，她怀疑这与光纤是一种扭曲的双折射光纤有关，也与偏振相关的布里渊增益有联系。但想深入地研究，还需要更多资源，而他们当时并不具备。
事实上，调查这种光谱凹陷，从来都不是一个被资助的项目。几年后，钱黎有了一位博士后研究员——来自中国的刘翳博士，他在武汉理工大学的部分资助下，来到钱黎实验室工作。
于是，钱黎把完全弄清楚这一现象的任务交给了他。基于该团队此前在文献中找到的布里渊增益建模工作，刘毅通过建立模型去模拟扭转光纤中的布里渊增益。但是，课题组并没有模拟中得到光谱凹陷。
提到这里，钱黎说：“我们不能通过简单地运行这个模型来找到光谱凹陷，因为必须给模型提供泵浦和信号的精确偏振状态，才能有机会获得光谱凹陷。比如，通过扫描整个庞加莱球（偏振空间）来找到正确的发射偏振状态，我们试过这样做，但是就像大海捞针一样没有结果。
因此，刘翳的后半部分时间，主要用于改进实验测量方法。之后，我们便能观察到亚兆赫兹范围的凹陷。他的实验还表明，通过调整信号的偏振态，可以改变凹陷在光谱中的位置。”
但是，最初为什么会出现下降仍然是个谜。由于该项目没有资金资助，自刘翳离开后就一直被搁置。同时，钱黎的主要研究领域是量子光学和非线性光学，所以这一项目并不具备优先级。
当来自印度的本科实习生尼尔·乔克西（即本次论文一作兼通讯）出现时，钱黎决定让他试着“破解难题”。”当我告诉他，这种超窄光谱凹陷是一种世界上没有人能解释的现象时，他跃跃欲试。他花了 6 个月的实习时间，来学习背景知识和理解此次问题。幸运的是，一年后他以博士生的身份回到了我的小组，并继续研究这个问题。”钱黎说。
这时，他们已经明白这样一件事：必须放弃寻找正确极化状态的“蛮力”，真正需要做的是寻找正确的发射极化状态。
于是，他们开始研究索尔克滤光器。这是一种双折射滤光器，由位于两个偏振器之间的旋转双折射板组成。而旋转双折射板是一个离散版本的连续保圆纤维，会受到偏振损耗、以及模拟偏振相关增益的影响。
可惜的是，索尔克滤光器模型并没有产生一个狭窄的光谱凹陷。相反，具有等效双折射特性和光纤长度的索尔克滤光器的光谱特征，会产生大约 10GHz 的光谱特征，比凹陷频率高出大约 5 个数量级。
其原因在于，缺乏作为正反馈机制的增益。换句话说，他们并不能使用偏振依赖的损耗，来模拟偏振依赖增益。于是，其又回到保圆光纤的布里渊增益模型。
当尼尔·乔克西采用旋转参考系，对保圆光纤进行建模时，研究终于取得突破。他发现在该旋转参考系中，本征模没有沿光纤变化。这时钱黎意识到，如果泵浦和信号以正交偏振本征态发射，它们将在整个光纤中保持正交。
值得注意的是，泵浦和信号在光纤中是对向传播的。一般来说，它们的偏振正交性不能在整个光纤中得到保证。对于泵浦和信号来说，以正交本征态进行发射，是它们始终保持这种正交性的关键。
这也能解释为何在光谱凹陷处几乎没有增益。那么，在偏振依赖增益的影响下，本征模的频率依赖性，是否会带来超窄光谱形状？尼尔·乔克西的模拟表明答案是肯定的，这说明他们终于解决了这个谜团！
而在建模和实验验证中，仍有很多细节得处理。通过进一步研究后他们还发现，该纤维必须是“金发姑娘”纤维，即只有同时具备均衡双折射特性和扭曲量，才能使这种凹陷变得显著。
另外，在审稿人的建议下，该团队进行了进一步的实验调查，以证明此次观察到的布里渊增益是各向同性的，并消除了对“光谱烧孔效应”作为替代解释的任何可能性。
接下来，钱黎打算以一种原理性证明的方式，演示验证上面提到的一些应用。她还表示，即使在一个被认为是、经过充分研究和确立的课题下，仍有许多“未解之谜”，布里渊散射便是一个例子。
同时，意识到一个新现象、并坚持不懈地寻找背后原因，这也非常重要。她说：“我知道固体材料中的超窄光谱特征是特别不寻常的。所以，投入时间和资源来弄清楚它产生的原因和机制是值得的，尽管我从来没有因为这个项目获得过任何正式的资金。
而激励有动力的学生也很重要。仍然记得，当我向尼尔·乔克西提到，这是一种地球上没有人能解释的现象时，他眼睛里散发出的光芒。我认为，是他内心强烈的动力让他度过了期间的困难时刻。而他的坚持和毅力最终赢得了胜利。”
支持：王贝贝参考资料：
1.Choksi, N., Liu, Y., Ghasemi, R. et al. Sub-megahertz spectral dip in a resonator-free twisted gain medium. Nat. Photon. 16, 498–504 (2022).https://doi.org/10.1038/s41566-022-01015-w
