北京大學研究團隊在新型激光領(lǐng)域取得重要進展

近日，北京大學電子學院陳景標教授團隊在新型激光領(lǐng)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(yīng)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(guān)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(yīng)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(chǔ)物理測量中具有廣泛的應(yīng)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。

原理示意圖及1470nm極壞腔激光的實現(xiàn)

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(lǐng)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。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41534-024-00880-3