激光冷却锶原子实现长达数小时的连续激光

激光冷却原子气体与光学腔场的交互作用是量子传感和量子系统模拟的强大工具，可表现出了诸如自组织相变、激光机制、压缩态和量子相干保护等现象，由于需要重新加载原子集合，对这些现象的研究通常是不连续的。近日，科罗拉多大学Vera M. Schäfer，James K. Thompson等在Nature Physics上以“Continuous recoil-driven lasing and cavity frequency pinning with laser-cooled atoms”为题发文，展示了加载到环形空腔的激光冷却⁸⁸Sr 原子产生的长达数小时的连续激光，为连续量子电动力学实验和超辐射激光奠定新基础。

为了实现量子模拟、传感所需的足够低温和高相空间密度，原子通常通过依次应用不同类型的原子冷却期来冷却，由于需要不断重新加载原子系统，导致实验只能以周期性、不连续的方式进行，极大限制了研究深度和持续时间。该问题在引入激光冷却原子与光学腔相互作用的系统中尤为明显，这使得诸如自组织相变、压缩态和量子相干性保护等现象的长期观察变得困难。

图1 实验装置。(a) 原子从 3D 黏团（红云）中连续加载到高精细度环形腔内150μK深813nm晶格中；(b) 激光输出功率显示随腔内原子数增加的阈值行为，在最高原子数下达到3×10 ¹¹光子/ s约90 nW；(c) 所有三个冷却激光器均与 7.5kHz宽的至³P₁跃迁 ( f_a , m_j=0) 相互作用，激发态塞曼分裂Δ f=±1.2MHz；(d)原子的动量态分布可以用麦克斯韦-玻尔兹曼分布很好地近似，该分布决定了发射光子频率的概率分布，从而产生与麦克斯韦-玻尔兹曼分布梯度成比例的拉曼增益

James K. Thompson教授研究团队创新性地将锶原子连续加载到高精细度环形腔中，通过连续三维（3D）红光黏团冷却激光（波长689 nm）冷却，一个垂直定向的减速光束（689 nm）以促进原子被3D光学黏团捕获，一旦达到阈值原子数（N≈300000），就能观察到持续数小时的腔内连续光发射。这一过程中，集体色散腔移动NU₀远大于腔线宽κ = 2π × 50 kHz，从而导致强非线性效应和原子自组织现象。

该系统的激光发射机制初看令人意外，因为激光需要量子态之间的布居反转，而系统中并没有明显的泵浦机制来建立这种反转。排除了塞曼子能级之间的拉曼激光和Mollow增益，研究团队发现，黏团冷却本身创造了一个非常冷且接近热平衡的系统，其中低动量态的原子密度高于高动量态，从而在径向动量态之间形成布居反转。这种反转创造了动量态之间的双光子拉曼增益，其中泵浦光子被吸收，较低频率的光子被发射，同时相应的原子从较低动量态移动到较高动量态。这种增益被称为反冲诱导共振（RIR）增益，若足够大以平衡腔损耗，则可导致激光效应。

图2 发射光特性：(a) 扫描裸腔失谐时，可识别出四个不同的光发射区域； (b) 不同区域的g²相关函数：区域I的g²(τ→0)=1和g²(τ)=1，证实相干连续激光；(c) 区域I中激光与本振的拍频线宽仅为7(1) kHz；(d) 沿腔轴以不同速度传输原子时，顺时针和逆时针发射光的频率差；(e)顺时针和逆时针发射光之间不同传输速度的拍频线宽

为了更好地理解激光机制的性质，研究团队通过一系列精密测量，表征了所发射光的频率、频率依赖性、相干性、线宽、方向性以及对原子固定的依赖性。结果显示，根据腔体与原子共振频率的失谐度不同，系统可呈现四个不同的激光区域（I-IV），每个区域具有不同的特性，其中区域I主要与从3D黏团激光散射相关，观察到的光具有g²(τ)=1的二阶相关函数，证实了相干连续激光发射，其线宽仅为7(1) kHz，远小于腔线宽（50 kHz）。区域III和IV主要与减速光束相关。

图3 腔频率钉扎：(a) 从弱探针光束的腔传输中观察到“穿戴”腔模式，激光发生在接近“穿戴”腔模式f'_c处；(b) 激光滞后效应：裸腔频率不同扫描方向下“穿戴”腔和发射光频率显示强滞后

该研究最显著的发现之一是，在区域I中激光对腔频率的变化表现出极低的敏感度。当扫描裸腔频率超过3 MHz时，激光频率仅变化不到50 kHz，对应的腔体拉动系数仅为p_c = 8(2)×10^-3。这种对腔体谐振频率的不敏感源于激光诱导的原子损失机制，该机制稳定了腔体谐振频率，研究团队将其称为“腔频率钉扎”。为了研究这一现象，研究团队使用弱探测光束测量了“穿戴”腔频率，发现在区域I中，多达80%的原子会被排出腔体，以使腔频率在大范围内保持相对恒定，如图3所示，当裸腔频率变化时，若假设原子数恒定，“穿戴”腔频率应呈现预期轨迹（青色曲线），但实际观察结果（深蓝色数据点）显示“穿戴”腔频率几乎不变，证实了原子数的自调节变化，这种原子数的下降完全是自调节的。这一独特的频率钉扎现象为减轻低频腔噪声提供了潜在方法。

“当有效腔频率接近3D黏团光时，较大的原子数会将有效频率从腔冷却区域推向腔加热区域，直到原子数足够小。”研究团队解释道，“这与RIR机制加热密切相关，只在腔-泵浦接近共振时有效，过大的原子数会使加热过程太慢，无法与新原子补充相抗衡，导致观察到的滞后现象”。

图4 现象学模型：(a) 速率方程模型图示；(b-e)该模型再现了不同腔拉动系数下稳定发光区域以及原子数调制导致腔频率钉扎的现象

为理解这种复杂动力学，研究团队建立了一个基于速率方程的模型，捕捉了系统的主要特性。该模型包括了三种不同的原子加载和损失机制：固定加载率R、与原子数成比例的单体损失γ_lossN，以及与激光强度和原子数共同相关的额外损失机制γ_LMN。模型成功再现了实验中观察到的滞后现象和频率钉扎，以及区域I和II中阶梯状抑制的腔拉动系数。研究表明，不同激光区域的出现是由不同冷却激光之间的竞争动力学导致的，区域数量与不同频率冷却激光的数量成正比。

该研究系统性地解决了冷原子激光系统中的技术困难，研究团队观察并解释了窄线宽连续波激光机制的出现，它通过原子数的自调节反馈，对裸腔频率的灵敏度降低了120倍。特别指出超过3 MHz范围内腔频率的自调节钉扎，为减轻低频腔噪声提供了潜在方法，对高精度量子计量和量子传感具有重要意义。

“我们的发现开启了连续腔量子电动力学实验和稳健、连续超辐射激光的机会。”论文通讯作者James K. Thompson表示，“未来，我们将利用加载和激光冷却的连续性质，在⁸⁷Sr的1.3mHz跃迁上实现窄线宽连续超辐射激光，这对计量学和量子传感有重要应用，为连续腔量子电动力学实验和稳健连续的超辐射激光开辟了新机会。”

参考资讯：https://phys.org/news/2025-05-hours-lasing-laser-cooled-strontium.html

参考文献：Schäfer, V.M., Niu, Z., Cline, J.R.K. et al. Continuous recoil-driven lasing and cavity frequency pinning with laser-cooledatoms. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02854-4