通常认为,光力系统在弱驱动作用下光力效应较弱,系统会演化到静稳态(static steady state)。随着驱动的增强,超过一定阈值后发生Hopf分岔,系统会进入腔光场和机械振子同时耦合的振荡。这种振荡的幅度按直觉会随着驱动激光增加而连续增加。继续增强驱动,系统也会进入混沌状态。但以往普遍的认知是系统的振荡行为是随驱动功率单调,连续变化的。然而,近日研究发现,仅单驱动下的光力系统,其动力学行为远比之前的认知要丰富。特别是在蓝边带共振点(驱动激光频率比腔共振频率正好大一个机械频率的地方)附近,存在一个驱动功率高于在Hopf分岔点的特定区域。在这个区域里,机械振子和腔光场振荡会经历一个又一个的亚稳态阶段,振子就暂时停留在一个又一个的振荡轨道上,最终按系统的制造参数稳定到某个机械运动轨道和场的振荡模式上;如图1(c)所示。这些中间轨道上的振荡在更强的泵浦功率作用下还会出现,只是不再需要经过那些亚稳态过程而已。
这一现象形成的物理机制是腔场边带与光学弹簧效应诱导的机械频移之间存在某种高度关联。一旦系统进入某个稳态,对应的腔场会存在一系列振动成分,被称为边带。对机械振子来说,其振动幅度是由腔场边带强度和它在光力作用下振动频率的偏移共同决定。最奇异的是,这些边带的强度可以和机械频率偏移一起做调整,造成机械振子的振幅只会落到一系列由系统参数决定的固定值上。除了机械振子本身摩擦较大的情形,单驱动光力系统随驱动功率连续变化的区域其实是有限的;系统本身只带一套可数分立的稳定轨道,有点象量子行为。
两位审稿人都认为这是一项非常有趣的发现,并且对腔光力系统复杂动力学特性的研究做出了重大贡献。由于发现的现象与以往认识非常不同,其中一个审稿人一审提了二十多个需要详细解答的相关问题。当得知作者发现这个现象的过程后,还特意要求把研究过程在论文的补充材料中加一个说明。另一位审稿人认为这个特定条件下存在的反常稳定有可能突破基于光学增益的PT对称声子激光器设计,从而为推进光力技术提供有应用价值的前景。
该论文第一作者为华侨大学2021级光学工程硕士生张金连,华侨大学为第一完成单位。华侨大学林青教授、智利玛雅大学何冰副教授、南京大学姜校顺教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、智利国家研究和发展机构基金的大力支持。