光学回音壁:军事领域的"潜力股",微小变化能实现近乎“万能”探测

来源:中国军网-解放军报作者:王握文 朱晰然 毛元昊责任编辑:于雅倩
2020-07-03 02:22

国防科技大学副教授雷兵为您讲述——

本领非凡的“光学回音壁”

■解放军报记者 王握文 通讯员 朱晰然 毛元昊

光波在光学回音壁中传输示意图。

●它择频而聚,是光子家族的“栖息地”

●它性能优越,感知与探测能力超群

●它应用广泛,是军事领域的“潜力股”

提起回音壁,许多人都会想到北京天坛公园内的一处著名景点:那道直径61.5米的圆形围墙,就是声名远播的天坛回音壁。如果你置身于围墙下,轻声地说上几句话,站在围墙另一端的人就能清晰地听到。这一奇妙现象,在声学中的原理其实很简单,即反射。由于圆形墙面弧度合理且表面光滑,声波沿墙面多次反射之后,就会形成类似于“圆的内接多边形”的路径,近乎无损耗地抵达围墙另一端。

光的传播与声音的传播也很类似。在光学领域,就有一种基于回音壁结构的器件——光学回音壁。其原理与天坛回音壁传声非常类似,但实现起来并没有那么简单,实用价值更是不可估量。

今年3月下旬,2019年度“中国光学十大进展”评选结果揭晓,就有一种与光学回音壁相关的基础研究成果入选,引起光学界的关注。

激光器上的重要器件

光学回音壁的学名叫光环谐振腔,它通过将光波限制在腔体内来回反射,使光子几乎无损耗地沿环路持续传播,从而实现光子的选择和增强,在特定条件下还能实现激光输出。这是光学回音壁拥有的“特殊本领”,因此,它是各类激光器不可或缺的重要组成部分。

那么,光学回音壁是如何产生激光的呢?这要从它的特殊结构说起。通常情况下,光学回音壁腔体由两块与轴线垂直的平面或是球面反射镜构成,光子在腔体内来回反射时,一些体力不支的光子,或是不守交通规则的光子,在中途掉队或是逃逸了,就会不由自主地被“甩”出腔体;只有“体力强、守规矩”的光子继续沿轴线运动,经过多个周期的反射往返后聚在一起。在这一过程中,光学回音壁好比一个筛子,在光子来回反射过程中,对光子进行筛选,选择出特定频率光子,实现“物以类聚”,可谓“不是一家人,不进一家门”。

不同的谐振腔可以实现不同频率的选择,这主要取决于谐振腔腔长、腔镜反射率及组合方式等因素。实现“物以类聚”后的光子,在腔体内进行“繁殖”,即同一家族的光子与被激活的粒子相遇,发生受激辐射而实现能量的放大。最终在腔内形成了传播方向一致、频率和相位相同的强光束,即激光。因此,光学回音壁堪称光子家族的完美“栖息地”。

光学回音壁原理并不复杂,早在上世纪初,科学家就发现了它的存在。但研制真正实用的器件,则是上世纪末的事了。此后,随着现代科技的发展,光学回音壁已从单一的微球腔发展到微环腔、微泡腔、微盘腔等多种模式,并逐渐由实验室走进日常生产生活。

优异特性堪称完美

在光学领域,激光堪称“神奇之光”,被誉为“最亮的光、最快的刀、最准的尺”。作为研制各类激光器不可或缺的重要器件,光学回音壁凭借优异的特性脱颖而出,被称为光学领域“最完美的器件”。

——因子品质高,能量损耗低。能够获得高品质因子是描述谐振腔质量的一个重要参数。一般的谐振腔对光学镜片的质量、对准和组合方式等要求较高,获得更高品质的因子较为困难。光学回音壁则完全可以克服镜片对准难、组合难的问题,且光在腔内全反射时,几乎不会有光折射进入所接触的介质,所以损耗非常小。如果选择诸如晶体、液体等对光吸收小的材料,就更容易获得超高品质因子。谐振腔因子品质越高,腔损耗越低、寿命越长、精度越高。

——模式体积小,非线性效应强。模式体积是光学回音壁性能的一个重要参数。体积越小,光的能量越高,非线性效应就越强,利用谐振腔内的非线性光学效应,可以产生许多新奇的物理现象。比如利用二阶非线性效应,可在光学回音壁上实现光学倍频,使光波的频率增加一倍、波长减少一半。将红外光变成可见绿光,就是一种很典型的光学倍频。如果利用三阶非线性效应,则可以观察到光频梳现象,实现对光学频率极其精密的测量。光频梳如同梳头发的梳子一样,只不过它“梳”的不是头发而是光子,最后在频谱上得到一系列离散等间距的光谱,因此光频梳也被称为光尺。总之,利用光学回音壁中的非线性效应,可使原本单一的光子家族实现特定的“基因突变”,极大拓展其应用领域。

——制备容易,加工成本低。光学回音壁拥有一系列优越性能,而制备过程比一般的谐振腔更简单。最简单的光学回音壁,只需要熔融光纤制备即可得到,复杂一点的微环形谐振腔,也可以直接在硅衬底上利用现有的湿法刻蚀等一般制备工艺完成。制备简单,成本自然低廉。因此,它虽然诞生较晚,但犹如一颗冉冉升起的新星,在现代光学领域绽放出绚丽光彩。

军事应用的“潜力股”

光学回音壁的一系列优异特性,使得它在单原子分子检测、精密探测、激光发射等领域得到一系列应用,但它的应用潜力还有待于进一步挖掘。在国防和军事领域,它被视为一支后劲十足的“潜力股”。

——用于战场环境侦察。光学回音壁具有超强的感知和探测能力,对环境变化非常灵敏,即便是单纳米颗粒等级的极微小变化,都能实现近乎“万能”的感知和探测。而对环境温度、压力、压强、磁场等变化的感知和探测能力更是不在话下,可运用它对战场环境进行侦察、实时气象保障等,还可用来对极低浓度下有毒有害物质进行探测,为部队作战提供精细的实时战场环境监测保障,并对部队行动进行预警。

——助力军事智能化发展。光学回音壁成本低、体积小,对外界温度、压力等十分敏感,可利用这一传感特性研制集成光路元件,在实现武器装备小型化、智能化方面提供元器件支撑,实现对极端战场环境的测绘和传感。据报道,2018年,国外光学专家将光学回音壁、光电探测器、信号放大模块和光电处理模块、WIFI模块等封装成一个传感系统,实现了数据的无线读取和分析,并在航天领域成功应用。另外,集成化的光学回音壁能实现远程控制和无线传感,也有望在智能化的战场物联网系统中发挥作用。

——提高数据处理能力。目前,已有研究团队利用光学回音壁中的腔量子动力学理论,实现原子(或离子)与电磁场的相互作用,能够在芯片尺度上进行量子计算和光信息处理。量子计算能够突破摩尔定律,具有经典计算机不可比拟的优点,可极大提高计算机处理性能。在军事上,利用基于回音壁模式的光子芯片,有望提高数据处理能力。这将为军事通信、信息处理等信息化建设提供有力支撑。

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