北京大學研究團隊在新型激光領域取得重要進展

原理示意圖及1470nm極壞腔激光的實現(xiàn)

近日，北京大學電子學院陳景標教授團隊在新型激光領域研究方面取得突破性進展，成功利用精細度達最低極限值2的光學諧振腔實現(xiàn)了線寬在kHz量級的極壞腔主動光鐘激光，該結(jié)果刷新了國際同行對光學諧振腔應用的認知，為實現(xiàn)窄線寬激光提供了反直觀的技術(shù)途徑。相關研究成果以“An extremely bad-cavity laser”為題，發(fā)表于自然出版社旗下的國際學術(shù)期刊Npj Quantum Information。

激光是20世紀最偉大的發(fā)明之一，由于其方向性高亮度、單色性和高相干性，已成為科學、工業(yè)和醫(yī)療應用中最通用的工具。其中，具有超窄線寬的超穩(wěn)激光器在量子光學、精密光譜和基礎物理測量中具有廣泛的應用前景。自1983年首次提出以來，利用超高精細光學諧振腔(精細度現(xiàn)已可達數(shù)十萬)來壓窄激光線寬的Pound-Drever-Hall (PDH)穩(wěn)頻技術(shù)已成為一項壓倒性技術(shù)，但其性能的進一步提升不可避免地受限于腔長熱噪聲。

為解決該國際難題，北京大學電子學院陳景標教授課題組利用超低精細度(~2.01，接近最低極限值2)的光學諧振腔實現(xiàn)了一種極壞腔主動光鐘激光，證明了顯著的線寬壓窄效果。主動光鐘由陳景標教授于2005年國際首創(chuàng)提出，其工作在壞腔區(qū)域，輸出鐘激光頻率取決于穩(wěn)定的量子躍遷頻率而非外部參考腔，故能夠有效解決傳統(tǒng)被動光鐘里PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)的腔長熱噪聲問題。

在這項研究中，激光器腔精度接近于最低極限值2。利用如此低精細的諧振腔實現(xiàn)激光，并研究其物理原理和機制，證明其在量子精度測量中的獨特優(yōu)勢，之前從未被報道過。該工作利用7.17MHz的增益線寬，實現(xiàn)了1.2kHz的窄線寬激光輸出，實現(xiàn)了優(yōu)于原子躍遷自然線寬3個量級的線寬壓窄效果。實驗上得到腔牽引系數(shù)為0.0148，是目前連續(xù)波主動光鐘激光器的最低值。極壞腔激光的新概念不同于傳統(tǒng)激光，這一研究成果為實現(xiàn)主動光鐘超窄線寬激光提供了新的技術(shù)途徑，有望開啟量子物理的一個全新研究領域。

極壞腔激光腔牽引抑制效果

該研究工作在陳景標的指導下完成，北京大學電子學院2021級博士研究生張佳為論文第一作者，共同研究人員還包括北京大學電子學院2019級博士生繆健翔、北京大學集成電路學院史田田助理研究員(通訊作者)、國家授時中心于得水研究員。該研究得到了國家自然科學基金、科技創(chuàng)新2030―“量子通信與量子計算機”重大項目、中國博士后科學基金、溫州重大科技創(chuàng)新重點項目的支持。

審核編輯 黃宇