國防科技大學副教授雷兵爲您講述——

本領非凡的“光學回音壁”

■解放軍報記者 王握文 通訊員 朱晰然 毛元昊

光波在光學回音壁中傳輸示意圖。

●它擇頻而聚，是光子家族的“棲息地”

●它性能優越，感知與探測能力超羣

●它應用廣泛，是軍事領域的“潛力股”

提起迴音壁，許多人都會想到北京天壇公園內的一處著名景點：那道直徑61.5米的圓形圍牆，就是聲名遠播的天壇迴音壁。如果你置身於圍牆下，輕聲地說上幾句話，站在圍牆另一端的人就能清晰地聽到。這一奇妙現象，在聲學中的原理其實很簡單，即反射。由於圓形牆面弧度合理且表面光滑，聲波沿牆面多次反射之後，就會形成類似於“圓的內接多邊形”的路徑，近乎無損耗地抵達圍牆另一端。

光的傳播與聲音的傳播也很類似。在光學領域，就有一種基於迴音壁結構的器件——光學回音壁。其原理與天壇迴音壁傳聲非常類似，但實現起來並沒有那麼簡單，實用價值更是不可估量。

今年3月下旬，2019年度“中國光學十大進展”評選結果揭曉，就有一種與光學回音壁相關的基礎研究成果入選，引起光學界的關注。

激光器上的重要器件

光學回音壁的學名叫光環諧振腔，它通過將光波限制在腔體內來回反射，使光子幾乎無損耗地沿環路持續傳播，從而實現光子的選擇和增強，在特定條件下還能實現激光輸出。這是光學回音壁擁有的“特殊本領”，因此，它是各類激光器不可或缺的重要組成部分。

那麼，光學回音壁是如何產生激光的呢？這要從它的特殊結構說起。通常情況下，光學回音壁腔體由兩塊與軸線垂直的平面或是球面反射鏡構成，光子在腔體內來回反射時，一些體力不支的光子，或是不守交通規則的光子，在中途掉隊或是逃逸了，就會不由自主地被“甩”出腔體；只有“體力強、守規矩”的光子繼續沿軸線運動，經過多個週期的反射往返後聚在一起。在這一過程中，光學回音壁好比一個篩子，在光子來回反射過程中，對光子進行篩選，選擇出特定頻率光子，實現“物以類聚”，可謂“不是一家人，不進一家門”。

不同的諧振腔可以實現不同頻率的選擇，這主要取決於諧振腔腔長、腔鏡反射率及組合方式等因素。實現“物以類聚”後的光子，在腔體內進行“繁殖”，即同一家族的光子與被激活的粒子相遇，發生受激輻射而實現能量的放大。最終在腔內形成了傳播方向一致、頻率和相位相同的強光束，即激光。因此，光學回音壁堪稱光子家族的完美“棲息地”。

光學回音壁原理並不複雜，早在上世紀初，科學家就發現了它的存在。但研製真正實用的器件，則是上世紀末的事了。此後，隨着現代科技的發展，光學回音壁已從單一的微球腔發展到微環腔、微泡腔、微盤腔等多種模式，並逐漸由實驗室走進日常生產生活。

優異特性堪稱完美

在光學領域，激光堪稱“神奇之光”，被譽爲“最亮的光、最快的刀、最準的尺”。作爲研製各類激光器不可或缺的重要器件，光學回音壁憑藉優異的特性脫穎而出，被稱爲光學領域“最完美的器件”。

——因子品質高，能量損耗低。能夠獲得高品質因子是描述諧振腔質量的一個重要參數。一般的諧振腔對光學鏡片的質量、對準和組合方式等要求較高，獲得更高品質的因子較爲困難。光學回音壁則完全可以克服鏡片對準難、組合難的問題，且光在腔內全反射時，幾乎不會有光折射進入所接觸的介質，所以損耗非常小。如果選擇諸如晶體、液體等對光吸收小的材料，就更容易獲得超高品質因子。諧振腔因子品質越高，腔損耗越低、壽命越長、精度越高。

——模式體積小，非線性效應強。模式體積是光學回音壁性能的一個重要參數。體積越小，光的能量越高，非線性效應就越強，利用諧振腔內的非線性光學效應，可以產生許多新奇的物理現象。比如利用二階非線性效應，可在光學回音壁上實現光學倍頻，使光波的頻率增加一倍、波長減少一半。將紅外光變成可見綠光，就是一種很典型的光學倍頻。如果利用三階非線性效應，則可以觀察到光頻梳現象，實現對光學頻率極其精密的測量。光頻梳如同梳頭髮的梳子一樣，只不過它“梳”的不是頭髮而是光子，最後在頻譜上得到一系列離散等間距的光譜，因此光頻梳也被稱爲光尺。總之，利用光學回音壁中的非線性效應，可使原本單一的光子家族實現特定的“基因突變”，極大拓展其應用領域。

——製備容易，加工成本低。光學回音壁擁有一系列優越性能，而製備過程比一般的諧振腔更簡單。最簡單的光學回音壁，只需要熔融光纖製備即可得到，複雜一點的微環形諧振腔，也可以直接在硅襯底上利用現有的溼法刻蝕等一般製備工藝完成。製備簡單，成本自然低廉。因此，它雖然誕生較晚，但猶如一顆冉冉升起的新星，在現代光學領域綻放出絢麗光彩。

軍事應用的“潛力股”

光學回音壁的一系列優異特性，使得它在單原子分子檢測、精密探測、激光發射等領域得到一系列應用，但它的應用潛力還有待於進一步挖掘。在國防和軍事領域，它被視爲一支後勁十足的“潛力股”。

——用於戰場環境偵察。光學回音壁具有超強的感知和探測能力，對環境變化非常靈敏，即便是單納米顆粒等級的極微小變化，都能實現近乎“萬能”的感知和探測。而對環境溫度、壓力、壓強、磁場等變化的感知和探測能力更是不在話下，可運用它對戰場環境進行偵察、實時氣象保障等，還可用來對極低濃度下有毒有害物質進行探測，爲部隊作戰提供精細的實時戰場環境監測保障，並對部隊行動進行預警。

——助力軍事智能化發展。光學回音壁成本低、體積小，對外界溫度、壓力等十分敏感，可利用這一傳感特性研製集成光路元件，在實現武器裝備小型化、智能化方面提供元器件支撐，實現對極端戰場環境的測繪和傳感。據報道，2018年，國外光學專家將光學回音壁、光電探測器、信號放大模塊和光電處理模塊、WIFI模塊等封裝成一個傳感系統，實現了數據的無線讀取和分析，並在航天領域成功應用。另外，集成化的光學回音壁能實現遠程控制和無線傳感，也有望在智能化的戰場物聯網系統中發揮作用。

——提高數據處理能力。目前，已有研究團隊利用光學回音壁中的腔量子動力學理論，實現原子（或離子）與電磁場的相互作用，能夠在芯片尺度上進行量子計算和光信息處理。量子計算能夠突破摩爾定律，具有經典計算機不可比擬的優點，可極大提高計算機處理性能。在軍事上，利用基於迴音壁模式的光子芯片，有望提高數據處理能力。這將爲軍事通信、信息處理等信息化建設提供有力支撐。

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