Американские и немецкие исследователи объявили об успешной непрерывной генерации лазерного излучения, основываясь на лазерно охлаждённых атомах стронция-88, интегрированных в кольцевой резонатор. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Physics, демонстрируют бесперебойную работу лазера на протяжении нескольких часов. Это значительный шаг вперёд в области квантовой сенсорики и моделирования квантовых систем, где подобные эффекты ранее наблюдались только в импульсном режиме.
Ключевой аспект эксперимента заключается в использовании непрерывной трёхмерной «мелассы» с длиной волны 689 нм для охлаждения атомов стронция. Дополнительный вертикальный тормозящий луч на той же длине волны помогает удерживать атомы в «мелассе». После достижения критического числа атомов (приблизительно 300 000) начинается непрерывная генерация излучения на длине волны 689 нм.
Замечательно, что инверсия населённостей, необходимая для лазерной генерации, достигается не путём внешней накачки, а благодаря изменению степеней свободы атомного импульса. Это происходит благодаря самоорганизации атомов и явлению коллективной атомной отдачи, ранее замечаемому только в циклическом режиме. Постоянное охлаждение «мелассой» обеспечивает пополнение атомов в резонаторе и их возвращение в состояния с низким импульсом, поддерживая инверсию населённостей.
Интересно, что чувствительность частоты генерации к изменениям частоты резонатора заметно снижается (в 120 раз) благодаря саморегулирующемуся механизму потерь атомов, связанному с нагревом резонатора. Это позволяет минимизировать влияние низкочастотного шума резонатора. Эксперимент выявил четыре различные режима генерации, различающиеся коэффициентами «подтягивания» частоты излучения к частоте резонатора. В одном из режимов (зона I) эта чувствительность минимальна.
Глубокий анализ выявил когерентность излучения в обоих направлениях кольцевого резонатора и влияние на генерацию перемещения атомов вдоль оси резонатора. При низких скоростях перемещения наблюдается ожидаемый доплеровский сдвиг частоты, однако при высоких скоростях взаимодействие мод генерации ослабевает. Авторы разработали модель, описывающую как фиксацию частоты генерации, так и гистерезисный характер переходов между режимами. Модель строится на самосогласованном взаимодействии между частотой генерации, числом атомов и частотой резонатора.
Новый способ непрерывной генерации лазерного излучения с узким спектром и крайне низкой чувствительностью к частоте резонатора открывает перспективы для высокоточных измерений и квантовой сенсорики, а также мотивирует разработку новых методов стабилизации частоты резонатора. В будущем планируется применить этот подход для создания непрерывного сверхизлучающего лазера на переходе с шириной линии 1,3 мГц в атомах стронция-87.
Источник: iXBT
