北京大学团队在量子锁模法拉第激光领域取得重要进展

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北京大学电子学院陈景标教授团队在量子锁模法拉第激光器研究方面取得重大突破，首次运用原子滤光器作为可饱和吸收体，成功实现了法拉第激光器的锁模运行。该激光器生成的脉冲光谱精准匹配原子的量子跃迁频率，且重复频率可通过法拉第慢光效应调节，为高精度原子多频光谱技术开辟了新的应用前景。研究成果已发表在AIP出版社的《Applied Physics Letters》期刊上，并被选为“编辑精选”文章。

图1 论文截图

传统锁模激光器主要致力于产生宽光谱、高能量的短脉冲，常用的锁模元件（如SESAM、CNT、石墨烯、黑磷、NOLM、NALM、NPR等）均为宽谱响应元件，缺乏量子特性。然而，随着饱和吸收光谱学和速度光栅原子光谱学的进步，利用双频或多频激光器与原子相互作用，已证实可显著提升光谱信号的幅度和信噪比。但传统宽光谱锁模激光器存在不足：落在原子共振带宽外的激光功率不仅冗余，还会导致原子跃迁频率偏移，降低光谱信号精度。激光场间频率间隔也显著影响光谱信号幅度。因此，迫切需要一种具有可调重复率、中心波长与量子跃迁线匹配的窄光谱锁模激光器。

陈景标教授课题组利用法拉第原子滤光器的量子特性——仅对与原子量子跃迁频率共振的光具有窄带透射和可饱和吸收特性——在法拉第激光器中获得了光谱宽度在GHz量级、透射中心波长对应原子跃迁频率的量子锁模脉冲。

图2 原子滤光器的量子特性和量子锁模法拉第激光器实验装置图

这项研究中，除了原子滤光器的量子特性促使激光锁模运行外，原子气室对非共振波长的光还具有慢光效应。这一特性使得锁模重复频率可远超物理腔长对应的基本重复频率。理论计算和谐振腔外延时测试表明，法拉第激光在气室中传播时的群速度折射率约为11~14，取决于气室温度。在保持谐振腔物理腔长不变的情况下，气室温度分别设为97℃和101℃时，获得的锁模脉冲重复频率分别为261 MHz和228 MHz，光谱宽度分别为1.3 GHz和1.85 GHz，光谱中心波长均对应87Rb 52S1/2 F=2→52P3/2多普勒吸收峰。

图3 法拉第激光在气室温度为97°C（左栏）和101°C（右栏）时的锁模输出特性

这项基于原子滤光器量子锁模激光技术的研究，其优势在于输出脉冲光谱窄，中心波长直接对应原子量子跃迁频率，这将为原子高精密光谱技术、量子精密测量和高功率光放大等领域提供一种新型特种光源。该研究由陈景标教授领导完成，高志红博士为论文第一作者，张志刚教授、王志洋博士和刘子捷博士也参与了研究。该研究获得了“量子科学与技术创新”重大项目、“温州重大科技创新重点项目”和“中国博士后创新人才支持计划”的资助。

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