Andrei Isichenko 手持超高质量的环形谐振器（左），它可以帮助将商用法布里-珀罗激光二极管（右）发出的"粗"光转变为低线宽激光。 资料来源：加州大学圣巴巴拉分校 Sonia Fernandez
对于需要超精密原子测量和控制的实验，例如双光子原子钟、冷原子干涉仪传感器和量子门，激光器是不可或缺的。 激光器之所以有效，关键在于其光谱纯度，即只发射一种颜色或频率的光。 如今，要实现这些应用所需的超低噪声、稳定的光，必须依赖于笨重而昂贵的台式激光系统，该系统旨在产生和管理窄光谱范围内的光子。
但是，如果这些原子应用能够摆脱实验室和台式机的束缚呢？ 这是推动加州大学圣巴巴拉分校工程学教授丹尼尔-布卢门撒尔（Daniel Blumenthal）实验室研究的愿景，他的团队正在努力将这些高精度激光器的性能复制到轻便的手持设备中。
布卢门撒尔实验室的研究生研究员安德烈-伊西琴科（Andrei Isichenko）说："这些小型激光器将为实际量子系统以及便携式、现场部署和天基量子传感器的激光器提供可扩展的激光解决方案。这将对技术领域产生影响，例如使用中性原子和被困离子的量子计算，以及冷原子量子传感器，例如原子钟和重力仪。"
在Scientific Reports杂志上发表的一篇论文中，Blumenthal、Isichenko和他们的团队介绍了芯片级超低线宽自注入锁定780纳米激光器在这一方向上的发展。 研究人员表示，这种大约火柴盒大小的设备可以比目前的窄线宽 780 nm 激光器发挥更好的性能，而制造成本和容纳空间却只有它们的一小部分。
之所以选择铷原子作为激光器的开发对象，是因为铷原子具有众所周知的特性，是各种高精度应用的理想选择。 其 D2 光学转变的稳定性使其非常适合原子钟；原子的灵敏度也使其成为传感器和冷原子物理的热门选择。 将激光穿过作为原子基准的铷原子蒸汽，近红外激光就能呈现出稳定原子转变的特性。
论文的资深作者布卢门撒尔指出："利用原子转变线来套住激光。换句话说，通过将激光锁定在原子转变线上，激光在稳定性方面或多或少会具有该原子转变的特性。"
但是，花哨的红光并不能制造出精密的激光。 要获得理想质量的激光，必须去除"噪音"。 Blumenthal 将其描述为音叉与吉他弦的对比。他解释说："如果你用音叉敲出一个 C 音，这可能是一个非常完美的 C 音。"但如果你在吉他上弹出一个 C 音，你就能在其中听到其他音调。 同样，激光也可能包含不同的频率（颜色），从而产生额外的"音调"。 为了产生所需的单一频率（在本例中为纯深红色光），该系统采用了额外的组件来进一步平缓激光。 研究人员面临的挑战是将所有这些功能和性能集成到一个芯片上。"
研究小组结合使用了市场上销售的法布里-珀罗激光二极管、世界上损耗最低的波导（由布卢门塔尔实验室制造）以及最高质量的因子谐振器，所有这些都是在氮化硅平台上制造的。 通过这样做，他们能够复制笨重的台式系统的性能--根据他们的测试，他们的设备在频率噪声和线宽等关键指标上比某些台式激光器以及之前报道的集成激光器高出四个数量级。
Isichenko 解释说："低线宽值的意义在于，我们可以在不牺牲激光器性能的情况下实现紧凑型激光器。在某些方面，由于实现了全芯片级集成，与传统激光器相比，性能得到了提高。 这些线宽有助于我们更好地与原子系统互动，消除激光噪声的贡献，从而完全解析原子信号，以响应它们所感知的环境等。"
低线宽就本项目而言，是创纪录低的亚赫兹基本线宽和亚千赫积分线宽，这表明了激光技术的稳定性和克服来自外部和内部噪音的能力。
这项技术的其他优势还包括成本--它使用的是 50 美元的二极管，并采用了一种具有成本效益且可扩展的制造工艺，这种工艺是利用与 CMOS 兼容的晶圆级工艺制造的，它借鉴了电子芯片制造领域的经验。这项技术的成功意味着可以在实验室内外的各种场合部署这些高性能、高精度、低成本的光子集成激光器，包括量子实验、原子计时和感应最微弱的信号，如地球周围重力加速度的变化。
Blumenthal说："可以把这些仪器放在卫星上，以一定的精度绘制地球和地球周围的重力地图。通过感应地球周围的引力场来测量海平面的上升、海冰的变化和地震。 "他补充说，这种技术结构紧凑、功耗低、重量轻，"非常适合"在太空中部署。
编译自/ScitechDaily
DOI: 10.1038/s41598-024-76699-x
