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法国物理学家利用冷原子云制造随机激光器

2013-06-09 14:25
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  ——法国物理学家首次在实验室环境下在冷原子云中制造了一种随机激光。数十年前,这种随机激光现象最初在星云中被观察到,研究团队认为,此项研究能够为自由激光产生的必备条件和相关研究提供一些基本观点,同时也能够增进我们对天体物理学的理解,甚至能够促进此类现象的一些实际应用研究。

  传统的激光器通常包括一个增益介质(固体、液体或气体),并以三明治结构夹在两个反射镜之间。激光光束在光学谐振腔内往复多次振荡,以受激辐射方式形成一个逐渐增强的相干光场。在随机激光器中,不需要反射腔镜,光从位于增益介质中随机位置的粒子处获得增益并被放大,与传统激光器相似,这种方式也是受激辐射放大机制。然而,由于光束的光程是随机的,输出的并非一个激光光束,而是各个方向上的多个相干光。

  随机激光过程是在1960 年首次提出的,它解释了一些星云气体中某些特殊的发射谱线产生的辐射光强度大于理论值的原因。实际上,随机激光可以用液态悬浮液和固体粉末作增益介质来获得,在这类激光器中,使光发生散射的粒子是传统形态的增益介质,比如氧化锌颗粒——而天文学家认为在星云气体激光中原子是使光发生散射的粒子。

  禁戒跃迁

  法国科学研究中心非线性研究所的Robin Kaiser 和他的同事们利用困在磁光阱中的冷铷-85原子云搭建了一台激光器,他们使用一束泵浦光在同一电子轨道的两个超精细能级上实现了粒子数反转分布,接着注入一束可调谐波长的激光,以实现粒子向低能受激辐射级跃迁并同时发生光放大。制造随机激光器的关键点是要确保发射激光被原子散射,而非被原子重新吸收。通过调谐注入激光波长,使得辐射光的波长位于原子禁戒跃迁范围之内,以此实现发射激光的散射效应。研究人员发现,当激光的频率与原子禁戒跃迁频率完全相同时,输出激光强度激增——这证明了辐射发光过程被随机激光过程加强。

  这种实验室环境下的随机激光器中,首次证明了光子被原子散射的现象的存在,这与星云气体中的现象本质上是一样的。然而氧化锌颗粒辐射压力的影响是不重要的,光子散射会导致可测量的原子反冲。自由激光过程的各类现象对天体物理学是否有宏观上的影响仍然没有定论,然而,“理论上说,如果在辐射过程中加入更多受激辐射,辐射压力会转变,这是可能的,”Kaiser解释说,“因此我们能够获得有吸引力的辐射压力组件。”他指出,研究人员观测到的冷原子振荡云与造父变星有相似之处,在重力和辐射压力之间达到一种平衡。因此应该能在实验中观测到负辐射压力信号。

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