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摘要激光是20世紀最偉大的發明之一,由于其方向性高亮度、單色性和高相干性,已成為科學、工業和醫療應用中最通用的工具。

  【儀表網 研發快訊】2024年9月13日,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的光學諧振腔實現了線寬在kHz量級的極壞腔主動光鐘激光,該結果刷新了國際同行對光學諧振腔應用的認知,為實現窄線寬激光提供了反直觀的技術途徑。相關研究成果以“An extremely bad-cavity laser”為題,發表于自然出版社旗下的國際學術期刊Npj Quantum Information。
 
  激光是20世紀最偉大的發明之一,由于其方向性高亮度、單色性和高相干性,已成為科學、工業和醫療應用中最通用的工具。其中,具有超窄線寬的超穩激光器在量子光學、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(精細度現已可達數十萬)來壓窄激光線寬的Pound-Drever-Hall (PDH)穩頻技術已成為一項壓倒性技術,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年國際首創提出,其工作在壞腔區域,輸出鐘激光頻率取決于穩定的量子躍遷頻率而非外部參考腔,故能夠有效解決傳統被動光鐘里PDH穩頻系統的腔長熱噪聲問題。
 
原理示意圖及1470nm極壞腔激光的實現
 
  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勢,之前從未被報道過。該工作利用7.17MHz的增益線寬,實現了1.2kHz的窄線寬激光輸出,實現了優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為0.0148,是目前連續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激光,這一研究成果為實現主動光鐘超窄線寬激光提供了新的技術途徑,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、溫州重大科技創新重點項目的支持。

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