Саморегулирующийся лазер: непрерывное излучение на охлаждённых атомах стронция открывает эру стабильных квантовых технологий

06.05.2025 10:43:00 | iXBT.com

Учёные из США и Германии сообщили о достижении непрерывной генерации лазерного излучения на основе охлаждённых лазером атомов стронция-88, загруженных в кольцевой резонатор. Эксперимент, результаты которого опубликованы в журнале Nature Physics, демонстрирует непрерывную работу лазера в течение нескольких часов. Это значительный прорыв в области квантовой сенсорики и симуляции квантовых систем, где подобные явления ранее наблюдались только импульсно.

Ключевой особенностью эксперимента является использование непрерывной трёхмерной «мелассы» с длиной волны 689 нм для охлаждения атомов стронция. Дополнительный вертикально ориентированный замедляющий луч на той же длине волны способствует захвату атомов в «мелассу». При достижении порогового числа атомов (около 300 000) начинается непрерывная генерация излучения на той же длине волны 689 нм.

Примечательно, что инверсия населённостей, необходимая для лазерной генерации, достигается не за счёт внешней накачки, а за счёт инверсии в степенях свободы атомного импульса. Это связано с самоорганизацией атомов и явлением коллективной атомной отдачи, ранее наблюдавшимся только в циклическом режиме. Охлаждение «мелассой» непрерывно пополняет атомы в резонаторе и возвращает их в состояния с низким импульсом, поддерживая инверсию населённостей.

Экспериментальная установка команды: атомы охлаждаются и замедляются внутри вакуумной камеры, пока их не удастся захватить в решётку внутри полости (чёрный разделитель в нижней половине вакуумной камеры). Флуоресценция атомов видна сверху синим цветом. Источник: JKT / ZN

Интересно, что чувствительность частоты генерации к изменениям частоты резонатора оказывается значительно снижена (в 120 раз) благодаря саморегулирующемуся механизму потерь атомов, связанному с нагревом резонатора. Это открывает новые возможности для уменьшения влияния низкочастотного шума резонатора. Эксперимент выявил четыре различных режима генерации, отличающихся коэффициентами «подтягивания» частоты излучения к частоте резонатора. В одном из режимов (зона I) эта чувствительность минимальна.

Глубокий анализ показал когерентность излучения в обоих направлениях кольцевого резонатора, а также влияние на генерацию перемещения атомов вдоль оси резонатора. При малых скоростях перемещения наблюдается ожидаемый доплеровский сдвиг частоты, но при больших скоростях взаимодействие мод генерации ослабевает. Авторы разработали модель, качественно описывающую как фиксацию частоты генерации, так и гистерезисный характер переходов между режимами. Модель основана на самосогласованном взаимодействии между частотой генерации, числом атомов и частотой резонатора.

Новый механизм непрерывной генерации лазерного излучения с узкой линией, обладающий крайне низкой чувствительностью к частоте резонатора, открывает перспективы для прецизионных измерений и квантовой сенсорики, а также стимулирует разработку новых методов стабилизации частоты резонатора. В будущем планируется использовать этот подход для создания непрерывного сверхизлучающего лазера на переходе с шириной линии 1,3 мГц в атомах стронция-87.

Подробнее