物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，美國天體物理聯(lián)合實驗室(JILA)的物理學(xué)家展示了一種新型的“超輻射”激光器設(shè)計，或可比現(xiàn)今最好的可見激光穩(wěn)定100～1000倍。這種類型的激光能提升最先進的原子鐘的性能，并有助于促進通信和導(dǎo)航等相關(guān)技術(shù)的改進。相關(guān)研究報告發(fā)表在近日出版的《自然》雜志上。
JILA由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和科羅拉多大學(xué)共同創(chuàng)建。研究人員表示，新激光器基于強大的名為“相位陣列”的工程技術(shù)，源自大量相同天線的電磁波可同步發(fā)揮作用，以構(gòu)建具有有益特性的組合波。“超輻射”激光器原型將100萬銣原子囚禁在兩面反射鏡之間的2厘米的空間內(nèi)，原子將與其內(nèi)部的振動同步“起舞”，從而放射出微弱的深紅色激光光束。
普通激光依賴于數(shù)百萬光子在兩面反射鏡間來回彈跳飛射，在激光材料內(nèi)擊打原子，生成自身的副本，構(gòu)建出強光；隨后，光子和同步波將從反射鏡腔中泄出并形成激光束。但這不會發(fā)生在新的JILA激光器上，因為光子不會在周圍過長逗留。在振蕩的電場的作用下，原子會不斷激發(fā)，并放射出同步的光子，在反射鏡間徘徊。幾乎所有光子都會在被鏡面干擾和破壞同步化的原子之前逃脫，因此可避免在一般激光器中發(fā)生的激光頻率變動現(xiàn)象。
在實驗中，科學(xué)家首先會囚禁位于鏡面之間激光中的原子，隨后使用其他低功率的激光調(diào)整比率，使原子在兩個能量級之間往返。每當(dāng)降至較低的能量級時，原子將放射出光子。一般情況下，原子每秒僅會放射一個光子，但它們的關(guān)聯(lián)行為能使比率提升1萬倍，生成光的“超輻射”。這種“受激發(fā)射”也切合了激光的定義。
測量結(jié)果顯示，激光束頻率對于反射鏡運動的敏感性可比普通的光學(xué)激光低一萬分之一，這說明新方式或可將NIST目前最佳的激光器的性能提高1000倍，其也有望走出實驗室，得到實際應(yīng)用。盡管這種“超輻射”激光的亮度十分黯淡，但它卓越的穩(wěn)定性可使其成為“反饋系統(tǒng)”中的一部分，“鎖住”正常的激光輸出。這種激光可被用于最先進的原子鐘中，誘發(fā)超精確時鐘所需的原子振蕩，有效提升時鐘的準(zhǔn)確性。研究人員表示，未來還將使用鍶等不同類型的原子進行實驗，以更好地配合高級原子鐘的建造。同樣，這種改進還會延伸至全球定位系統(tǒng)、光學(xué)通信、大地測量和天文學(xué)等相關(guān)的技術(shù)之中。
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