单原子激光器 Single-atom lasers

2022-10-18 15:45:24 浏览:234

定义

仅以单个原子为增益介质的激光器。

通常,激光的增益介质包含大量激光活性原子或离子。 然而,由于各种原因,研究单原子激光器的行为是有意义的,其中单个原子构成整个增益介质。 2003年,加州理工学院的Kimble研究小组首次展示了单原子激光器(或单原子激光器)的实现[3]。 铯原子被激光冷却并捕获在磁光陷阱(MOT)中,然后释放以向下落下。 然后将单个铯原子加载到远共振光学陷阱(FORT)中,在两个超级镜之间实现,形成一个高精细谐振器作为激光谐振器。 使用辅助激光器主动稳定谐振器长度。 铯系统的“反转”(就该术语在该制度中的意义而言)也是通过光泵浦实现的。 激光发射以两个高斯光束的形式发生,从末端反射镜的激光谐振器中出来。

这种单原子激光器不仅仅是普通激光器的小型化版本。 由于高腔体精细度和小模式体积,该器件在光场光子和原子跃迁之间强耦合的不寻常状态下运行。 具体来说,Rabi频率远高于腔的自发发射速率和光子衰减速率,因此耦合系统在激发衰减之前可以经历几个Rabi周期。 在这种状态下,来自动力学的完整量子描述的理论预测与通常用于描述激光操作的半经典模型(对光场进行经典处理)的理论预测有很大不同。

对此类设备的研究具有根本意义,因为它可以测试量子光学的某些预测。 事实上,实验证实了单原子激光器应该没有激光阈值(→阈值无阈值激光器)的预测,即即使对于最小的泵浦功率,激光发射也会发生。 此外,激光输出不像大多数其他激光器那样处于相干状态,而是由非经典光组成。 特别是,通过重合测量可以观察到显着的光子反束和亚泊松光子统计,特别是在低泵浦速率下。 通过将各种实验观察结果与涉及量子化光物质相互作用的激光模型的预测进行比较,可以学到很多东西。 有机会对所有这些效应进行详细研究使这些努力变得值得,尽管很难想象单原子激光器会找到任何实际应用。

请注意,已经存在单原子微矩阵,其中单个原子与微波腔相互作用。 然而,一个显着的区别是,在这种情况下,人们通常处理一个原子束,其中不同的原子随后与光场相互作用,即使每次腔中最多有一个原子。 相比之下,与例如反向拉比频率相比,单原子激光器实际上只在一个原子上工作了更长的时间。

单原子激光器不应与原子激光器混淆,后者发射相干物质波而不是光。

参考文献

[1] Y. Mu and C. M. Savage, “One-atom lasers”, Phys. Rev. A 46 (9), 5944 (1992), doi:10.1103/PhysRevA.46.5944
[2] C. Ginzel et al., “Quantum optical master equations: the one-atom laser”, Phys. Rev. A 48 (1), 732 (1993), doi:10.1103/PhysRevA.48.732
[3] J. McKeever et al., “Experimental realization of a one-atom laser in the regime of strong coupling”, Nature 425, 268 (2003); see also references therein

激光器

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