加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员研发了一种紧凑且低成本的激光器，其性能可与实验室规模的系统相媲美。该激光器使用铷原子和先进的芯片集成技术，可用于量子计算、计时以及环境监测（包括基于卫星的引力测绘）等领域。

对于需要超精确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）而言，激光器不可或缺。它们之所以有效，关键在于光谱纯度高，即仅发射单色光或单频光。如今，要为这些应用提供必要的超低噪声稳定光，需依赖庞大且昂贵的台式激光系统，这些系统旨在窄光谱范围内产生和管理光子。

但如果这些原子应用能够摆脱实验室和实验台的束缚呢？加州大学圣塔芭芭拉分校工程学院的丹尼尔·布伦特曼教授的实验室正在致力于这方面的研究，这是该实验室的愿景。布伦特曼的团队正致力于在轻便的手持设备中复制这些高精度激光器的性能。

“这些小型激光器将为实际的量子系统提供可扩展的激光解决方案，同时也将为便携式、现场部署式和基于空间的量子传感器提供激光器，”布伦塔尔实验室的研究生研究员安德烈·伊西琴科表示。“这将影响中性原子和俘获离子的量子计算等技术领域，以及原子钟和重力仪等冷原子量子传感器领域。”

在《科学报告》期刊的一篇论文中，布伦塔尔（Blumenthal）、伊西琴科（Isichenko）及其团队展示了该方向的一项进展，他们研发出了芯片级超低线宽自注入锁定780纳米激光器。研究人员表示，该装置的大小大约与火柴盒相当，性能优于当前使用的窄线宽780纳米激光器，而制造成本及所占空间却只有其一小部分。

套住激光

驱动激光发展的原子是铷原子，之所以选择它，是因为其众所周知的特性使其成为各种高精度应用的理想选择。其D2光学跃迁的稳定性使铷原子非常适合用于原子钟；铷原子的敏感性也使其成为传感器和冷原子物理学的热门选择。通过将激光穿过铷原子蒸气作为原子参考，近红外激光可以获得稳定原子跃迁的特性。

“你可以利用原子跃迁线来套住激光，”本文资深作者布伦塔尔指出，“换言之，将激光锁定到原子跃迁线上，激光在稳定性方面或多或少会呈现出该原子跃迁的特性。”

但是，华而不实的红光并不能构成精密激光。要想获得所需质量的光，“噪音”必须被消除。布伦塔尔将其比作音叉与吉他弦的区别。

他解释道：“如果你有音叉并敲击发出C调，那么它发出的很可能是一个非常完美的C调。但是如果你在吉他上弹奏C调，你可能会听到其他的音调。”类似地，激光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（在这种情况下是纯深红色光），台式系统配备了额外的元件来进一步稳定激光。研究人员面临的挑战是将所有这些功能和性能集成到一块芯片上。

该团队将市售的法布里-珀罗激光二极管、世界上损耗最低的一些波导（由布伦塔尔的实验室制造）以及品质因数最高的谐振器（全部在氮化硅平台上制造）结合在一起。借此，他们成功复制了体积庞大、台式系统的性能——并且根据他们的测试，他们的装置在频率噪声和线宽等关键指标上，性能比一些台式激光器和先前报道的集成激光器高出四个数量级。

性能和可扩展性

“低线宽值的意义在于，我们可以在不牺牲激光性能的情况下实现激光器的小型化，”伊西琴科（Isichenko）解释道。“从某种程度上讲，由于实现了全芯片级集成，其性能相比传统激光器有所提升。这些线宽有助于我们更好地与原子系统相互作用，消除激光噪声的影响，从而充分解析原子信号，例如，充分解析原子系统对所处环境的响应信号。”就该项目而言，创历史新低的亚赫兹级基本线宽和亚千赫兹级积分线宽表明了激光技术的稳定性以及克服内外部噪声干扰的能力。

此技术的其他优势还包括成本——它使用的二极管只需50美元，并且采用了经济高效且可扩展的制造工艺，该工艺是利用与CMOS兼容的晶片规模工艺创建的，借鉴自电子芯片制造领域。

此技术的成功意味着，人们将有可能在实验室内外各种场合中部署这些高性能、高精度、低成本的光子集成激光器，这些场合包括量子实验、原子计时以及最微弱信号的传感等，例如地球周围重力加速度的变化。

“你可以把这些设备放置在卫星上，以相当精确的程度绘制地球及地球周围的引力图，”布伦塔尔说，“你可以通过感知地球周围的引力场来测量海平面上升、海冰变化和地震情况。”他补充道，紧凑性、低能耗和轻便性非常适合在太空部署的技术。

参考文献：《次赫兹基频、次千赫兹积分线宽自注入锁定780纳米混合集成激光器》，安德烈·伊西琴科、安德鲁·S·亨特、德巴潘·波斯、奈特什·乔汉、梅婷·宋、凯凯·刘、马克·W·哈灵顿、丹尼尔·J·布伦塔姆著，2024年11月18日发表于《科学报告》。DOI：10.1038/s41598-024-76699-x