Eagleyard半导体激光管在诺贝尔物理学奖研究领域的应用

      非专业领域的人士可能对量子光学这一领域感到陌生。事实上，一段很长的时间以来，人们想从一个微观角度来研究光与物质的相互作用是一件非常困难的事情。因为，对光或者其他物质的单个粒子这些微观的研究对象来说，经典物理学理论已经不适用，量子力学理论则规定了微观世界的基本规则。而单个粒子很难从环境中独立出来，并且，一旦同周围的环境发生相互作用，其量子特性便会丧失。而阿罗什与瓦恩来各自所带领的研究小组，分别发展出实用的实验方法，以测量并操控非常脆弱的量子态。

      我们可以通过瓦恩兰的实验来了解这一过程，当瓦恩兰俘获带电原子（离子）后，开始利用光（光子）对其进行测量和操控。所俘获的物质离子被隔离在冷（超低温）环境中，防止被周围环境干扰。瓦恩兰巧妙的使用激光束以及激光脉冲不断抑制离子的热运动，从而使离子的动能降为零，从而进入特定的量子叠加态中（叠加态正是量子世界里最神秘的特性）从而保持住了单个粒子的量子特性。

      不仅仅是以阿罗什和瓦恩兰为代表的外国学者近年来致力于该领域的研究，国内也有越来越多的人从事着光与物质粒子相互作用的研究，如冷原子研究，并且取得了很多可喜的成果。而冷原子研究所使用的半导体激光的管供应商德国eagleyard公司，也越来越为国内冷原子领域的工作者所熟知。

      在冷原子研究的相关实验平台中，需要使用到激光冷却、俘获与操控的原理。激光冷却是依靠光对原子的机械作用力及相关的光与物质粒子的相关效应来实现的，这里就用到了可靠性高而操作简单的半导体激光器。不同于我们常规使用的通信用半导体激光器，冷原子实验应用的半导体激光器的波长需要精确对应原子跃迁吸收谱线，并且对线宽和功率均有较高要求，如eagleyard公司的分布反馈式（Distributor Feedback Bragg）半导体激光管的中心波长为852nm，用于Cs原子的冷却与俘获，线宽可以达到1MHZ以下，自由空间出光功率最大可达150mW。除此之外，eagleyard现有的分别对应Rb原子D1和D2跃迁吸收线的795nm和780nm半导体激光管产品在冷原子实验平台中也均有优异的表现。

      当然，由于产品指标的优越和工艺的复杂性，分布反馈式的激光管往往在成本上不那么容易被接受，而且分布反馈式激光管在出厂时中心波长已经确定，标准产品只能对应若干种原子的跃迁吸收谱线，而且“波长可调”范围比较小，对于一些使用其他物质粒子做实验的研究者来说，具有一定的局限性。为解决此问题，eagleyard公司推出了使用独特镀膜工艺用于外腔结构的激光管产品—RWE系列产品，RWE系列产品是在脊状波导的基础上通过在芯片出光端面镀增透膜破坏芯片内部的谐振腔结构从而使输出光谱范围增大，覆盖大多数常用的原子跃迁吸收谱线。研究者通过增加外腔结构来调节出需要的波长，并实现到KHZ水平超窄线宽可媲美DFB激光管出光质量的光谱输出。值得一提的是eagleyard RWE系列产品可以实现高达40mW~50mW的出光功率（加腔后）并极具价格优势。

      另外，由于激光冷却，俘获与操控原子的需要，半导体激光器的输出功率偏小一直是一个较大的问题。通过搭配使用eagleyard公司已商用化的半导体锥形放大器（Tapered Amplifier），能够在种子光输入功率很小的情况下，实现高达2W的功率输出。agleyard目前能提供对应多种原子跃迁吸收谱线的半导体锥形放大器产品，被广泛的用于激光冷却与俘获原子的实验装置中。
      
       在激光冷却原子的实验中，冷却和俘获同样一种原子通常需要使用两束不同频率的激光，分别称之为冷却光和再抽运光。冷却光的作用是对原子产生减速作用，它要求调谐到原子循环跃迁线上；再抽运光是指把自发辐射落到基态的于冷却光频率失谐的其他精细能级上的原子重新抽运到可供冷却状态的激光。在一个典型的冷原子实验中，一般需要同时冷却和俘获两种物质的原子，就需要四束波长不同的激光来实现。这些往往是通过一套由半导体激光器、注入锁定激光器和半导体激光放大器来组成的激光系统来实现。半导体激光器可以使用对应实验物质原子跃迁线的DFB激光管或是调谐范围能覆盖该原子跃迁谱线的RWE系列激光管来搭建外腔结构，一般是使用Littrow结构的外腔光栅反馈。另外，为了将激光器的频率精确稳定在工作物质原子跃迁谱线上，需要对半导体激光器进行饱和吸收谱稳频。稳频后，不同频率的激光分别注入锁定从激光器，将得到的冷却光再注入利用半导体锥形放大器搭建的TA系统进行放大，从而用于工作物质原子的冷却和俘获。
       
       激光冷却、俘获、操控原子以及相关的科学应用研究在一段时间以来都是前沿量子光学研究中最活跃的领域，2012年的诺贝尔物理学奖花落此领域必将掀起国内外又一轮相关研究的高潮。eagleyard将携手其国内合作伙伴富泰科技为前沿科学研究提供更实用的产品和更完善的本地化技术服务。

关于eagleyard
eagleyard是德国领先的650nm~1120nm高功率二极管供应商。 其先进的技术转化成的性能优秀、质量可靠的半导体激光管产品，已占有前沿科研及工业领域大部分的市场份额，如激光原子冷却，气体检测，光谱分析，传感等领域。

参考资料：
1.  科学时报
2.《40K-87Rb原子冷却的半导体激光系统》

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