美国物理学家开发出“超辐射”激光器技术

美国天体物理联合实验室（JILA）的物理学家展示了一种新型的“超辐射”激光器设计，或可比现今最好的可见激光稳定100倍至1000倍。



超辐射激光光谱

这种类型的激光能提升最先进的原子钟的性能，并有助于促进通信和导航等相关技术的改进。相关研究报告发表在近日出版的《自然》杂志上。JILA由美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学共同创建。研究人员表示，新激光器基于强大的名为“相位阵列”的工程技术，源自大量相同天线的电磁波可同步发挥作用，以构建具有有益特性的组合波。“超辐射”激光器原型将100万铷原子囚禁在两面反射镜之间的2厘米的空间内，原子将与其内部的振动同步“起舞”，从而放射出微弱的深红色激光光束。普通激光依赖于数百万光子在两面反射镜间来回弹跳飞射，在激光材料内击打原子，生成自身的副本，构建出强光；随后，光子和同步波将从反射镜腔中泄出并形成激光束。但这不会发生在新的JILA激光器上，因为光子不会在周围过长逗留。在振荡的电场的作用下，原子会不断激发，并放射出同步的光子，在反射镜间徘徊。几乎所有光子都会在被镜面干扰和破坏同步化的原子之前逃脱，因此可避免在一般激光器中发生的激光频率变动现象。

在实验中，科学家首先会囚禁位于镜面之间激光中的原子，随后使用其他低功率的激光调整比率，使原子在两个能量级之间往返。每当降至较低的能量级时，原子将放射出光子。一般情况下，原子每秒仅会放射一个光子，但它们的关联行为能使比率提升1万倍，生成光的“超辐射”。这种“受激发射”也切合了激光的定义。测量结果显示，激光束频率对于反射镜运动的敏感性可比普通的光学激光低一万分之一，这说明新方式或可将NIST目前最佳的激光器的性能提高1000倍，其也有望走出实验室，得到实际应用。尽管这种“超辐射”激光的亮度十分黯淡，但它卓越的稳定性可使其成为“反馈系统”中的一部分，“锁住”正常的激光输出。这种激光可被用于最先进的原子钟中，诱发超精确时钟所需的原子振荡，有效提升时钟的准确性。研究人员表示，未来还将使用锶等不同类型的原子进行实验，以更好地配合高级原子钟的建造。同样，这种改进还会延伸至全球定位系统、光学通信、大地测量和天文学等相关的技术之中。