图1光力光学频率梳示意图。
光学频率梳是指在频率上由一系列间隔相等且相位相干的谱线组成的激光光源，其在光学度量、精密光谱、光原子钟、射频光子学等领域具有重要应用。通常，光学频率梳可以通过锁模激光器、电光调制及光学微腔中的参量非线性效应（克尔光频梳）产生。相比于传统光频梳，克尔光频梳具有宽光谱、低功耗、制备工艺与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容等优点。同时，由于克尔光频梳的尺寸小，其还具有高重复频率的特点。因此，在相干光通信、超快精密测距、天文光谱校准以及低噪声微波或太赫兹波产生等领域具有明显优势。另一方面，在一些其他领域（例如高分辨率光谱学、高精度传感、高功率超连续谱产生等），则需要低重频的光学频率梳。然而，由于克尔光频梳的重复频率取决于其自由光谱范围（或尺寸），导致实现低重频的克尔光频梳则需要制备非常大尺寸的光学微腔（例如要实现50 MHz重频的克尔光频梳则需要米量级的光学"微腔"）。这使得实现低重频的微型光频梳具有很大挑战。
最近，姜校顺、肖敏团队从理论和实验上证明，利用光学微腔中的光力振荡，可以实现光谱平坦的片上低重频光学频率梳。其原理如图1所示，当光在腔内运动时，由于动量变化可产生光压。当作用在微腔上的光压大于某一阈值时，会使得微腔发生光力振荡。这种振荡则会同时对泵浦光产生调制进而产生边带，其边带数与光力振荡的振幅相关。通常，由于光力系统具有很高的非线性，当光压很大时，容易产生光力混沌。在本工作中，研究团队发现在大蓝失谐（泵浦光频率远大于冷腔的谐振频率）条件下泵浦过耦合的光学模式，可产生巨大的光力振荡并同时避免光力混沌的产生。
实验上，研究团队利用直径仅为60μm的回音壁模光学微腔，实现了重复频率为50.22 MHz，梳齿数达到938根的片上微型光频梳（见图2（a））。这种光力光频梳的重复频率等于光力振荡频率而不受限于光学微腔的自由光谱范围，成功突破了微腔几何尺寸对微腔光频梳重复频率的限制。基于这种光力光学频率梳光谱平坦的特点，研究团队还进一步实现了宽频谱（带宽>40 GHz）、梳齿平坦且梳齿线宽窄的微波频率梳（见图2（b）），该微波频率梳在微波通信、微波雷达以及任意波信号产生等方面具有潜在的应用价值。
图2（a）光力光学频率梳谱。（b）光力微波频率梳谱。
为了进一步优化光力光频梳的性能，研究团队在实验和理论上同时验证了当光学模式过耦合至其光学耗散率等于力学模式频率时，在大篮失谐条件下进行泵浦能够产生光谱最宽的光力光频梳（图3（a））。研究团队同时还验证了增加泵浦光功率可以有效展宽光学频率梳，并在泵浦功率高达440 mW时依然没有光力混沌的出现（图3（b））。相比于克尔光频梳，光力光频梳的产生并不依赖于微腔的光学模式色散。因此，其可在不同的横向光学模式中激发产生。为了演示光力光频梳在具体应用中的灵活性，该研究团队通过选用不同的光学模式并结合温度调谐，获得了总光谱范围达到1.42 nm的片上低重频光学频率梳（图3（c））。
图3（a）梳齿数随耦合强度的变化。（b）梳齿数随泵浦功率的变化。（c）频率灵活的微腔光频梳谱。
此外，在高功率泵浦时，该研究团队还观察到了一种有趣的类快慢振荡动力学过程。通过理论分析与实验比对，确定了这种快慢振荡是由微腔中响应速度较慢的热光非线性效应和响应更快的光力振荡相互作用产生的，并将其称为光力热振荡
该工作提出了新的光学频率梳产生方式，成功突破了微型光频梳的重复频率受到其尺寸的限制。这种低重频的片上光学频率梳，将在高分辨率单光梳原子谱、高分辨率双光梳分子谱、高精度折射率传感及大模糊距离激光雷达等领域具有潜在应用。
该成果以"Generation of Optical Frequency Comb via Giant Optomechanical Oscillation"为题，发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 127, 134301 (2021)）。南京大学博士研究生胡勇和副研究员丁舒林为该论文共同第一作者，姜校顺教授为论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.127.134301
