近日，北京大學(xué)電子學(xué)院陳景標(biāo)教授團(tuán)隊(duì)在新型激光領(lǐng)域研究方面取得突破性進(jìn)展，成功利用精細(xì)度達(dá)最低極限值2的光學(xué)諧振腔實(shí)現(xiàn)了線寬在kHz量級(jí)的極壞腔主動(dòng)光鐘激光，該結(jié)果刷新了國(guó)際同行對(duì)光學(xué)諧振腔應(yīng)用的認(rèn)知，為實(shí)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊Npj Quantum Information。

激光是20世紀(jì)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(xué)、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(xué)、精密光譜和基礎(chǔ)物理測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用前景。自1983年首次提出以來(lái)，利用超高精細(xì)光學(xué)諧振腔（精細(xì)度現(xiàn)已可達(dá)數(shù)十萬(wàn)）來(lái)壓窄激光線寬的Pound-Drever-Hall (PDH)穩(wěn)頻技術(shù)已成為一項(xiàng)壓倒性技術(shù)，但其性能的進(jìn)一步提升不可避免地受限于腔長(zhǎng)熱噪聲。

為解決該國(guó)際難題，北京大學(xué)電子學(xué)院陳景標(biāo)教授課題組利用超低精細(xì)度（~2.01，接近最低極限值2）的光學(xué)諧振腔實(shí)現(xiàn)了一種極壞腔主動(dòng)光鐘激光，證明了顯著的線寬壓窄效果。主動(dòng)光鐘由陳景標(biāo)教授于2005年國(guó)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(dòng)光鐘里PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)的腔長(zhǎng)熱噪聲問(wèn)題。

原理示意圖及1470nm極壞腔激光的實(shí)現(xiàn)

在這項(xiàng)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(xì)的諧振腔實(shí)現(xiàn)激光，并研究其物理原理和機(jī)制，證明其在量子精度測(cè)量中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，之前從未被報(bào)道過(guò)。該工作利用7.17MHz的增益線寬，實(shí)現(xiàn)了1.2kHz的窄線寬激光輸出，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于原子躍遷自然線寬3個(gè)量級(jí)的線寬壓窄效果。實(shí)驗(yàn)上得到腔牽引系數(shù)為0.0148，是目前連續(xù)波主動(dòng)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(shí)現(xiàn)主動(dòng)光鐘超窄線寬激光提供了新的技術(shù)途徑，有望開(kāi)啟量子物理的一個(gè)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(biāo)的指導(dǎo)下完成，北京大學(xué)電子學(xué)院2021級(jí)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(xué)電子學(xué)院2019級(jí)博士生繆健翔、北京大學(xué)集成電路學(xué)院史田田助理研究員（通訊作者）、國(guó)家授時(shí)中心于得水研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030―“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金、溫州重大科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

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