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单原子激光器

时间：2011-12-31 22:52:03  来源： 打印本文

单原子激光器

2005/8/5/9:33    激光，是一个很容易令人联想到威力的词汇，例如“星球大战”中令人生畏的激光剑，几乎无坚不摧。但是在今年9月的《自然》杂志上，美国加州理工学院(CIT)的吉夫·金博(Jeff·Kimble)和他的同事们却别出心裁地报告了他们制作出来的世界上最纤弱的激光器，也是在理论上可能存在的最细微的激光器：只让一个原子来发射激光。

    显然，按照激光的定义，我们不可能在小于一个原子的系统里面产生激光。相反，通常的激光都是大量原子集体活动的结果，只有众多原子的齐心合力﹑步调一致，才能发射出其利可断金的激光。不过我们并不是在任何时候都希望激光显得这么暴力，而是希望利用它显得特别干净的这个方面的特性，例如除了希望它的频率成分单一之外，还希望它能够是秩序井然地发射出来，甚至希望激光的光子是一个一个排着队，以固定的流量发射出来，因为这样的激光光源对于我们实现光子线路－电子线路的下一代继承者，是非常重要的。金博的小组所制作的单原子激光器，正是在获得这样的激光方面所取得的一个重大突破。

原子们，齐步走！

    为了了解制作单原子激光器的原因和关键，我们先看看普通激光是怎么产生的。

    所谓光，按照现代物理学的理解，可以看成是由单个的光子组成的，而单个的光子可以理解为电磁场的能量单位，就象货币一样，当不同的电磁场系统之间要交换能量时，就是以光子为“货币单位”进行交换的。我们知道，任何一个原子都是由电子在电磁力作用下围绕原子核运动的一个电磁场系统，这样一个电磁场系统的能量常常发生变化，也就是它除了总是具有一个最低的能量状态－称为基态－之外，还常常由于外界的刺激作用而跳到更高的一些不同的能量状态－称为激发态。这种能量状态之间的变化，就是通过跟外界交换光子而实现的：收获光子就跳到高些的能量状态，失去光子，就落回到低些的能量状态。

    对于由大量原子组成的一块物质，它的绝大部分原子都是处于基态，同时由于外界环境的作用，例如它所具有的温度，就决定了它还有少数处于激发态的原子，这些原子常常会自发地落回到基态，从而失去光子，那些被扔出来的光子，就被称为物质所发射的自发发射光。

    同时，处于基态的原子也能够吸收碰巧撞过来的光子，从而保证这块物质总含有处于激发态的原子。而奇妙的是，不仅是基态的原子在撞见光子时能够以一定的几率吸收它，处于激发态的原子在撞见光子时，也能够以一定的几率吸收它，然后再扔出一个与被吸收光子同频率﹑同初位相的光子来，这种情况下发射出来的光子，被称为受激发射光。当然，由于一般的物质本来处于激发态的原子含量就少，因此相比于它的自发发射光，其受激发射光在其对外发射的光当中只占有极其微弱的份量。
而产生激光的思路正是在于让一块发光物质主要产生受激发射光，为什么呢？因为受激发射光的一个关键特征是，受激发射出来的光子和导致这个受激发射的光子，具有相同的频率和初位相。由于光子的波动特性，不同初位相和频率的光子在相遇时，常常大量地相互抵消或者是合成为更加多样频率的光子；而具有相同的频率和初位相的光子在相遇时，则是保持频率和位相不变，因此我们要想获得单一频率﹑并且高强度的光线，就必须从受激发射光里面选择某个特定的频率，同时想办法增加具有该频率的光子的产生数目，和减少其他频率的光子的数目。

    激光器正是根据这个思路设计出来的：通过光照或电流作用，使得一块特定的物质所具有的激发态原子含量高于基态原子含量，然后在入射光的作用下，使得物质的受激发射光远多于自发发射光。
剩下的关键步骤是如何从受激发射光当中挑选出单一频率的光子来，常用的方法是在发光物质一个方向上的两个对边，放置一对反射镜，通过精细调节这对反射镜的间距，使得在这个方向上飞行的具有特定波长的光子能够在这对反射镜之间进行多次反射，而不至于因为相遇而相互抵消；而这些具有特定波长的光子在来回反射过程当中，又能够不断对发光物质里的原子激发出新的同频率﹑同初位相的光子出来，同时其他方向与其他频率以及初位相的光子，由于得不到这种增强作用而逐渐减少份量，这样一种“优胜劣汰”的结果，就是入射光的能量最终大量地转化为单一频率光子的形式在反射镜之间来回谐振，把这些光子引出来，就是普通的激光了。

    因此我们可以看到，由于能够让大量原子步调一致地受到同一种频率及初位相的光子的激发，普通的激光所以能够具有高能量密度，但是由于参与发光的原子数量庞大，也使得我们很难更加精细地控制激光光子有秩序地发射。所以一个自然的想法就是，是不是可以只用很少的原子来产生激光，甚至只用一个原子呢？

一个原子的独舞

    对于发光物质块来说，由于大量原子连续地分布在反射镜之间的空间，特定波长的光子在来回反射过程当中，总能够遇到适当的原子，而进行受激发射。而如果只用一个原子作为发光物质呢，就要求它在两个反射镜之间的位置必须非常确切地固定下来，以便在反射镜之间来回奔走的某个特定波长的光子，能够高效地激发该原子进行受激发射。例如要想产生某个可见光波长的激光，那么该原子的位置漂移不能超过该可见光波长的十分之一，否则就无法得到该波长的受激发射光。

    金博小组的办法就是使用目前非常流行的原子激光冷却囚禁技术来固定单原子的位置。他们用特定的激光光束照射位于狭小的光学谐振腔内的一个铯原子，激光光束在空间产生特定的光场强度变化，从而使得铯原子象落入一个尖底碗里面的弹珠一样，老老实实地呆在碗底，最终稳定在光束中心位置。这样，就象是有一把“钳子”，把铯原子囚禁在光学谐振腔内，甚至它的热运动也被尽量地平息下来。

    然后用另外两个激光光源对铯原子进行激发，由于光腔本身极小，使得一个光子射入，就能够很容易地诱发受激发射，而使该原子的自发发射的几率减小，从而开始受激激光发射的过程。这样一个单原子所发射出来的激光具有与普通激光非常不同的特性，最鲜明的是它的激光光子的发射显得非常有秩序：在一个光子发射出来后，总是存在一个特定的停顿，再发射出下一个光子，使得激光光子流呈现所谓反聚集的特征；同时，在一定时间内所发射的光子的数量也是非常稳定的。相比之下，普通激光器发射的光子总是一窝蜂地跑出来，光子流量也不稳定，从而无法预测单位时间内发射光子的数目。当然，由于只有一个原子发光，也使得它产生的激光只有很小的流量，每秒只能产生不到100 000个光子，而且只能连续地工作十分之一秒。

    不过，单原子激光器的这种“文静”和“讲秩序”的特性，使得它在光子信息工程领域具有非常美妙的前景，因为类似于微电子工程当中对于电流的要求，如果将来要实现光子器件，那么对光子流量的精细控制应该是非常重要的一个方面。另外，单原子激光器的实现，也使得我们能够获得更加直接地研究单光子与单原子相互作用的机会，这对于理论物理学家来说，也是一件很令人激动的事情。
因此，尽管一个原子的独舞无法表现阳刚之美，但其曲尽幽情的动作，也足令人沉醉。