腔光力学作为研究电磁辐射与微纳机械运动相互作用的前沿领域，在量子技术、通信、精密传感与计量等方面具有广泛应用前景。在光学微腔的蓝失谐区域，光子可向机械模式注入声子，提供机械增益，从而激发激光振荡、混沌动态及声学频率梳等多种现象。然而，实现稳定的机械孤子与锁模状态需要精确平衡非线性与色散、声子增益与损耗，并对腔体结构和热控制提出苛刻要求，这限制了其实际应用的可靠性。
为促进可靠的锁模，一种有前景的途径是将具有可饱和吸收特性的光电纳米材料（如石墨烯）引入光力学微腔中。石墨烯因其无带隙特性而具备从紫外到太赫兹的宽波段光电响应，以及优异的机械性能，使其成为实现微腔光力学锁模的理想候选材料。
图1 石墨烯-二氧化硅微腔的概念设计、器件照片和工作机制
电子科技大学姚佰承团队联合北京大学肖云峰、杨起帆团队报道了一种基于光子-电子-声子相互作用的锁模机制，在石墨烯沉积的二氧化硅微腔中实现了锁模光力学微梳的确定性激发。博士生张浩、梁瑜佩和青年教师谭腾副教授为论文共同第一作者。
该机制由光力学的反作用与石墨烯的可饱和吸收协同决定：循环光场诱导机械振荡来调制光波，而石墨烯中的泡利阻塞效应则锁定单一光力学模式，从而在单个微腔内形成局域相干的光波包。通过频率分割技术，该锁模光力学微梳实现了高重复频率稳定性，其在1赫兹偏移处的相位噪声降至-110.5 dBc/Hz，在20秒时的阿伦偏差低至3×10⁻¹²，性能可与标准铷原子钟相媲美。
图2 光力学锁模的演化过程与时频测量结果
该项研究系统地阐述了在石墨烯辅助的二氧化硅微谐振器中形成光力学频率梳的物理机制与性能。稳定的光力学脉冲源于光学与机械振荡过程中的光子-声子-电子相互作用：首先，腔内光子的辐射压力激发光力学振荡；随后，机械波反过来调制光波，产生强度调制；最后，基于石墨烯可饱和吸收的能量转换锁定此调制，形成光学与声学驻波的共同谐振。在整个过程中，光力学的增益与损耗达到平衡。
研究揭示了这种锁模效应是确定性的，只要腔内光功率合适就必然会出现。相位锁定的频谱包含7.6 MHz及其谐波，呈现均匀的类双曲正割平方形状，并在时域上产生稳定的纳秒脉冲。通过频率分割技术稳定后，其相位噪声和阿伦偏差均达到极高水平，展示了其在射频时钟、高精度传感和微型陀螺仪等腔光力学应用中的潜力。
Hao Zhang et al., Mode-locked optomechanical frequency combs in a graphene-silica microresonator. Sci. Adv.11, eady1279(2025). DOI:10.1126/sciadv.ady1279
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