提起回音壁，許多人都會想到北京天壇公園內(nèi)的一處著名景點(diǎn)：那道直徑61.5米的圓形圍墻，就是聲名遠(yuǎn)播的天壇回音壁。如果你置身于圍墻下，輕聲地說上幾句話，站在圍墻另一端的人就能清晰地聽到。這一奇妙現(xiàn)象，在聲學(xué)中的原理其實(shí)很簡單，即反射。由于圓形墻面弧度合理且表面光滑，聲波沿墻面多次反射之后，就會形成類似于“圓的內(nèi)接多邊形”的路徑，近乎無損耗地抵達(dá)圍墻另一端。

光的傳播與聲音的傳播也很類似。在光學(xué)領(lǐng)域，就有一種基于回音壁結(jié)構(gòu)的器件——光學(xué)回音壁。其原理與天壇回音壁傳聲非常類似，但實(shí)現(xiàn)起來并沒有那么簡單，實(shí)用價(jià)值更是不可估量。

2020年3月下旬，2019年度“中國光學(xué)十大進(jìn)展”評選結(jié)果揭曉，就有一種與光學(xué)回音壁相關(guān)的基礎(chǔ)研究成果入選，引起光學(xué)界的關(guān)注。

激光器上的重要器件

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

那么，光學(xué)回音壁是如何產(chǎn)生激光的呢？這要從它的特殊結(jié)構(gòu)說起。通常情況下，光學(xué)回音壁腔體由兩塊與軸線垂直的平面或是球面反射鏡構(gòu)成，光子在腔體內(nèi)來回反射時(shí)，一些體力不支的光子，或是不守交通規(guī)則的光子，在中途掉隊(duì)或是逃逸了，就會不由自主地被“甩”出腔體；只有“體力強(qiáng)、守規(guī)矩”的光子繼續(xù)沿軸線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過多個(gè)周期的反射往返后聚在一起。在這一過程中，光學(xué)回音壁好比一個(gè)篩子，在光子來回反射過程中，對光子進(jìn)行篩選，選擇出特定頻率光子，實(shí)現(xiàn)“物以類聚”，可謂“不是一家人，不進(jìn)一家門”。

不同的諧振腔可以實(shí)現(xiàn)不同頻率的選擇，這主要取決于諧振腔腔長、腔鏡反射率及組合方式等因素。實(shí)現(xiàn)“物以類聚”后的光子，在腔體內(nèi)進(jìn)行“繁殖”，即同一家族的光子與被激活的粒子相遇，發(fā)生受激輻射而實(shí)現(xiàn)能量的放大。最終在腔內(nèi)形成了傳播方向一致、頻率和相位相同的強(qiáng)光束，即激光。因此，光學(xué)回音壁堪稱光子家族的完美“棲息地”。

光學(xué)回音壁原理并不復(fù)雜，早在上世紀(jì)初，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了它的存在。但研制真正實(shí)用的器件，則是上世紀(jì)末的事了。此后，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，光學(xué)回音壁已從單一的微球腔發(fā)展到微環(huán)腔、微泡腔、微盤腔等多種模式，并逐漸由實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)日常生產(chǎn)生活。

優(yōu)異特性堪稱完美

在光學(xué)領(lǐng)域，激光堪稱“神奇之光”，被譽(yù)為“最亮的光、最快的刀、最準(zhǔn)的尺”。作為研制各類激光器不可或缺的重要器件，光學(xué)回音壁憑借優(yōu)異的特性脫穎而出，被稱為光學(xué)領(lǐng)域“最完美的器件”。

——因子品質(zhì)高，能量損耗低。能夠獲得高品質(zhì)因子是描述諧振腔質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。一般的諧振腔對光學(xué)鏡片的質(zhì)量、對準(zhǔn)和組合方式等要求較高，獲得更高品質(zhì)的因子較為困難。光學(xué)回音壁則完全可以克服鏡片對準(zhǔn)難、組合難的問題，且光在腔內(nèi)全反射時(shí)，幾乎不會有光折射進(jìn)入所接觸的介質(zhì)，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(zhì)因子。諧振腔因子品質(zhì)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(yīng)強(qiáng)。模式體積是光學(xué)回音壁性能的一個(gè)重要參數(shù)。體積越小，光的能量越高，非線性效應(yīng)就越強(qiáng)，利用諧振腔內(nèi)的非線性光學(xué)效應(yīng)，可以產(chǎn)生許多新奇的物理現(xiàn)象。比如利用二階非線性效應(yīng)，可在光學(xué)回音壁上實(shí)現(xiàn)光學(xué)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(xué)倍頻。如果利用三階非線性效應(yīng)，則可以觀察到光頻梳現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對光學(xué)頻率極其精密的測量。光頻梳如同梳頭發(fā)的梳子一樣，只不過它“梳”的不是頭發(fā)而是光子，最后在頻譜上得到一系列離散等間距的光譜，因此光頻梳也被稱為光尺。總之，利用光學(xué)回音壁中的非線性效應(yīng)，可使原本單一的光子家族實(shí)現(xiàn)特定的“基因突變”，極大拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

——制備容易，加工成本低。光學(xué)回音壁擁有一系列優(yōu)越性能，而制備過程比一般的諧振腔更簡單。最簡單的光學(xué)回音壁，只需要熔融光纖制備即可得到，復(fù)雜一點(diǎn)的微環(huán)形諧振腔，也可以直接在硅襯底上利用現(xiàn)有的濕法刻蝕等一般制備工藝完成。制備簡單，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(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域綻放出絢麗光彩。

軍事應(yīng)用的“潛力股”

光學(xué)回音壁的一系列優(yōu)異特性，使得它在單原子分子檢測、精密探測、激光發(fā)射等領(lǐng)域得到一系列應(yīng)用，但它的應(yīng)用潛力還有待于進(jìn)一步挖掘。在國防和軍事領(lǐng)域，它被視為一支后勁十足的“潛力股”。

——用于戰(zhàn)場環(huán)境偵察。光學(xué)回音壁具有超強(qiáng)的感知和探測能力，對環(huán)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(shí)現(xiàn)近乎“萬能”的感知和探測。而對環(huán)境溫度、壓力、壓強(qiáng)、磁場等變化的感知和探測能力更是不在話下，可運(yùn)用它對戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行偵察、實(shí)時(shí)氣象保障等，還可用來對極低濃度下有毒有害物質(zhì)進(jìn)行探測，為部隊(duì)作戰(zhàn)提供精細(xì)的實(shí)時(shí)戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測保障，并對部隊(duì)行動(dòng)進(jìn)行預(yù)警。

——助力軍事智能化發(fā)展。光學(xué)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制集成光路元件，在實(shí)現(xiàn)武器裝備小型化、智能化方面提供元器件支撐，實(shí)現(xiàn)對極端戰(zhàn)場環(huán)境的測繪和傳感。據(jù)報(bào)道，2018年，國外光學(xué)專家將光學(xué)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(gè)傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線讀取和分析，并在航天領(lǐng)域成功應(yīng)用。另外，集成化的光學(xué)回音壁能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和無線傳感，也有望在智能化的戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

——提高數(shù)據(jù)處理能力。目前，已有研究團(tuán)隊(duì)利用光學(xué)回音壁中的腔量子動(dòng)力學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)原子（或離子）與電磁場的相互作用，能夠在芯片尺度上進(jìn)行量子計(jì)算和光信息處理。量子計(jì)算能夠突破摩爾定律，具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，可極大提高計(jì)算機(jī)處理性能。在軍事上，利用基于回音壁模式的光子芯片，有望提高數(shù)據(jù)處理能力。這將為軍事通信、信息處理等信息化建設(shè)提供有力支撐。

（作者：王握文朱晰然毛元昊 來源：國防科技大學(xué)科普中國共建基地）