非專業(yè)領(lǐng)域的人士可能對量子光學(xué)這一領(lǐng)域感到陌生。事實(shí)上，一段很長的時間以來，人們想從一個微觀角度來研究光與物質(zhì)的相互作用是一件非常困難的事情。因?yàn)?，對光或者其他物質(zhì)的單個粒子這些微觀的研究對象來說，經(jīng)典物理學(xué)理論已經(jīng)不適用，量子力學(xué)理論則規(guī)定了微觀世界的基本規(guī)則。而單個粒子很難從環(huán)境中獨(dú)立出來，并且，一旦同周圍的環(huán)境發(fā)生相互作用，其量子特性便會喪失。而阿羅什與瓦恩來各自所帶領(lǐng)的研究小組，分別發(fā)展出實(shí)用的實(shí)驗(yàn)方法，以測量并操控非常脆弱的量子態(tài)。

      我們可以通過瓦恩蘭的實(shí)驗(yàn)來了解這一過程，當(dāng)瓦恩蘭俘獲帶電原子（離子）后，開始利用光（光子）對其進(jìn)行測量和操控。所俘獲的物質(zhì)離子被隔離在冷（超低溫）環(huán)境中，防止被周圍環(huán)境干擾。瓦恩蘭巧妙的使用激光束以及激光脈沖不斷抑制離子的熱運(yùn)動，從而使離子的動能降為零，從而進(jìn)入特定的量子疊加態(tài)中（疊加態(tài)正是量子世界里最神秘的特性）從而保持住了單個粒子的量子特性。

      不僅僅是以阿羅什和瓦恩蘭為代表的外國學(xué)者近年來致力于該領(lǐng)域的研究，國內(nèi)也有越來越多的人從事著光與物質(zhì)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導(dǎo)體激光的管供應(yīng)商德國eagleyard公司，也越來越為國內(nèi)冷原子領(lǐng)域的工作者所熟知。

      在冷原子研究的相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺中，需要使用到激光冷卻、俘獲與操控的原理。激光冷卻是依靠光對原子的機(jī)械作用力及相關(guān)的光與物質(zhì)粒子的相關(guān)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，這里就用到了可靠性高而操作簡單的半導(dǎo)體激光器。不同于我們常規(guī)使用的通信用半導(dǎo)體激光器，冷原子實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的半導(dǎo)體激光器的波長需要精確對應(yīng)原子躍遷吸收譜線，并且對線寬和功率均有較高要求，如eagleyard公司的分布反饋式（Distributor Feedback Bragg）半導(dǎo)體激光管的中心波長為852nm，用于Cs原子的冷卻與俘獲，線寬可以達(dá)到1MHZ以下，自由空間出光功率最大可達(dá)150mW。除此之外，eagleyard現(xiàn)有的分別對應(yīng)Rb原子D1和D2躍遷吸收線的795nm和780nm半導(dǎo)體激光管產(chǎn)品在冷原子實(shí)驗(yàn)平臺中也均有優(yōu)異的表現(xiàn)。

      當(dāng)然，由于產(chǎn)品指標(biāo)的優(yōu)越和工藝的復(fù)雜性，分布反饋式的激光管往往在成本上不那么容易被接受，而且分布反饋式激光管在出廠時中心波長已經(jīng)確定，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品只能對應(yīng)若干種原子的躍遷吸收譜線，而且“波長可調(diào)”范圍比較小，對于一些使用其他物質(zhì)粒子做實(shí)驗(yàn)的研究者來說，具有一定的局限性。為解決此問題，eagleyard公司推出了使用獨(dú)特鍍膜工藝用于外腔結(jié)構(gòu)的激光管產(chǎn)品—RWE系列產(chǎn)品，RWE系列產(chǎn)品是在脊?fàn)畈▽?dǎo)的基礎(chǔ)上通過在芯片出光端面鍍增透膜破壞芯片內(nèi)部的諧振腔結(jié)構(gòu)從而使輸出光譜范圍增大，覆蓋大多數(shù)常用的原子躍遷吸收譜線。研究者通過增加外腔結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)出需要的波長，并實(shí)現(xiàn)到KHZ水平超窄線寬可媲美DFB激光管出光質(zhì)量的光譜輸出。值得一提的是eagleyard RWE系列產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)40mW~50mW的出光功率（加腔后）并極具價格優(yōu)勢。

      另外，由于激光冷卻，俘獲與操控原子的需要，半導(dǎo)體激光器的輸出功率偏小一直是一個較大的問題。通過搭配使用eagleyard公司已商用化的半導(dǎo)體錐形放大器（Tapered Amplifier），能夠在種子光輸入功率很小的情況下，實(shí)現(xiàn)高達(dá)2W的功率輸出。agleyard目前能提供對應(yīng)多種原子躍遷吸收譜線的半導(dǎo)體錐形放大器產(chǎn)品，被廣泛的用于激光冷卻與俘獲原子的實(shí)驗(yàn)裝置中。
      
       在激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)中，冷卻和俘獲同樣一種原子通常需要使用兩束不同頻率的激光，分別稱之為冷卻光和再抽運(yùn)光。冷卻光的作用是對原子產(chǎn)生減速作用，它要求調(diào)諧到原子循環(huán)躍遷線上；再抽運(yùn)光是指把自發(fā)輻射落到基態(tài)的于冷卻光頻率失諧的其他精細(xì)能級上的原子重新抽運(yùn)到可供冷卻狀態(tài)的激光。在一個典型的冷原子實(shí)驗(yàn)中，一般需要同時冷卻和俘獲兩種物質(zhì)的原子，就需要四束波長不同的激光來實(shí)現(xiàn)。這些往往是通過一套由半導(dǎo)體激光器、注入鎖定激光器和半導(dǎo)體激光放大器來組成的激光系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體激光器可以使用對應(yīng)實(shí)驗(yàn)物質(zhì)原子躍遷線的DFB激光管或是調(diào)諧范圍能覆蓋該原子躍遷譜線的RWE系列激光管來搭建外腔結(jié)構(gòu)，一般是使用Littrow結(jié)構(gòu)的外腔光柵反饋。另外，為了將激光器的頻率精確穩(wěn)定在工作物質(zhì)原子躍遷譜線上，需要對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行飽和吸收譜穩(wěn)頻。穩(wěn)頻后，不同頻率的激光分別注入鎖定從激光器，將得到的冷卻光再注入利用半導(dǎo)體錐形放大器搭建的TA系統(tǒng)進(jìn)行放大，從而用于工作物質(zhì)原子的冷卻和俘獲。
       
       激光冷卻、俘獲、操控原子以及相關(guān)的科學(xué)應(yīng)用研究在一段時間以來都是前沿量子光學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域，2012年的諾貝爾物理學(xué)獎花落此領(lǐng)域必將掀起國內(nèi)外又一輪相關(guān)研究的高潮。eagleyard將攜手其國內(nèi)合作伙伴富泰科技為前沿科學(xué)研究提供更實(shí)用的產(chǎn)品和更完善的本地化技術(shù)服務(wù)。

關(guān)于eagleyard
eagleyard是德國領(lǐng)先的650nm~1120nm高功率二極管供應(yīng)商。 其先進(jìn)的技術(shù)轉(zhuǎn)化成的性能優(yōu)秀、質(zhì)量可靠的半導(dǎo)體激光管產(chǎn)品，已占有前沿科研及工業(yè)領(lǐng)域大部分的市場份額，如激光原子冷卻，氣體檢測，光譜分析，傳感等領(lǐng)域。

參考資料：
1.  科學(xué)時報
2.《40K-87Rb原子冷卻的半導(dǎo)體激光系統(tǒng)》

關(guān)于富泰科技
富泰科技（香港）有限公司專注于光電子領(lǐng)域，為光纖通信、工業(yè)激光及科研用戶提供專業(yè)的產(chǎn)品分銷代理與技術(shù)咨詢服務(wù)。富泰科技與具有領(lǐng)導(dǎo)地位或潛在實(shí)力的國際廠商緊密合作，將其領(lǐng)先的產(chǎn)品和技術(shù)引入快速成長的中國市場，并形成規(guī)模應(yīng)用。