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半导体激光器在2012诺贝尔物理学领域的应用

导读: 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。

  近日,在瑞典首都斯德哥尔摩的卡罗琳斯卡医学院,瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会将2012年诺贝尔物理学奖授予了两位科学家—法国物理学家塞尔日-阿罗什与美国物理学家戴维-瓦恩兰,获奖评语为“提出了突破性的实验方法,使测量和操控单个量子系统成为可能”。

  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。

  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。

  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,如该公司的分布反馈式(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,该公司现有的分别对应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。

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