Only Perception: 從古典雷射到「量子雷射」

2010-09-28

從古典雷射到「量子雷射」

From a classical laser to a 'quantum laser'
http://www.physorg.com/news189248689.html

March 31, 2010

來自（奧地利）Innsbruck 大學的 Rainer Blatt 與 Piet Schmidt 研究團隊，成功地實現一種單原子雷射，那證明了原子--光子交互作用的古典雷射特性以及量子力學特性。科學家們已將他們的發現發表在 Nature Physics 期刊上。

第一具雷射在 50 年前被開發出來。今日，我們無法想像沒有這種人工製造光波的生活會是怎樣 -- 雷射已成為許多器具不可或缺的一部份，用於通訊、家庭、醫療與研究。

雷射通常由某種增益介質（gain medium）所組成 -- 那位於高反射性光學腔（或共振器）之內的在電或光學上受到汲發（pumped）。在腔內的光線以模（modes）的形態前後反彈，藉此它一再被增強。古典雷射具特色的特徵之一是，當達到某種汲發閾的時候，輸出功率會陡然增加。此刻，當光傳播（circulates）通過傳光學腔時，增益（gain，為介質所放大）等於損失。這是因為光與原子間的交互作用擴大所致：當模內出現的光子愈多，光在模內的放大也就愈強。這種受刺激的散發，通常觀察到的是肉眼所見的雷射，那包含許多原子與光子。

Innsbruck 研究者證明，雷射閾可在雷射最小的可能建構基石上辦到：單個原子，那在光學腔中與單一一個模（single mode）交互作用。單個鈣離子受限在離子阱（ion trap）中並受到外部雷射的刺激。二面鏡子所組成的高精密度光學腔（high-finesse optical cavity），能將離子所散發的光子捕捉並累積至一個模中。此離子週期性地受到外部雷射刺激，且在每個週期都有個光子被添加至腔模（cavity mode）中，那增強了光。

對於強健的原子--腔耦合而言，原子與腔的物理條件（regime）展現出量子力學行為：只有單一一個個光子可被傳入腔中。"結果，受激發光（stimulated emission）與門檻均不存在，" Francois Dubin 解釋，一位法國博士後與本論文的第一作者。幾年前，「量子雷射（quantum laser）」曾在類似的體制中展示過。Innsbruck 研究者的實驗，其新意在於能調整原子到腔模的耦合。藉由選擇正確的驅動雷射參數，物理學家能達到更強的刺激，且必然會添加更多光子到腔中。雖然腔中的光子仍然少於一個，不過科學家觀察到閾值形態的受激發光。"單個原子是種非常弱的擴大器。結果，閾值比古典雷射更不明顯，" Piet Schmidt 解釋。

因量子力學干涉之故，甚至更強的刺激都不會導致更高的輸出（傳統雷射才會那樣），只有抑制的輸出。這構成了微小單原子雷射的固有侷限。因此，來自 Innsbruck 大學的研究者想透過「受控制的加入愈來愈多離子與光場進行交互作用」，更進一步研究量子與古典雷射之間的轉變（transition）。

※ 相關報導：

＊ Quantum to classical transition in a single-ion laser
http://www.nature.com/nphys/journal/v6/n5/abs/nphys1627.html

Francois Dubin, Carlos Russo, Helena G. Barros,
Andreas Stute, Christoph Becher, Piet O. Schmidt &
Rainer Blatt
Nature Physics 6, 350 - 353 (2010)
Published online: 28 March 2010
doi: 10.1038/nphys1627