近日，电子学院陈景标教授团队在量子锁模法拉第激光器研究领域方面取得了开创性进展，首次利用原子滤光器作为可饱和吸收体，实现了法拉第激光器锁模运转。该锁模激光的优点是其脉冲光谱精准覆盖原子的量子跃迁频率，重复频率通过法拉第慢光效应可以调节，非常适合应用在高精度原子多频光谱技术新领域。相关研究成果以“Quantum mode-locked Faraday laser”为题，发表于AIP出版社旗下的国际学术期刊《Applied Physics Letters》，且被选为“Editor's Pick（编辑精选）”文章。
图1 论文截图
常规锁模激光器的研究主要集中在生成宽光谱、高能量的短脉冲，锁模元件如半导体饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管（CNT）、石墨烯以及黑磷（BP）、非线性光学环路镜（NOLM）、非线性放大环路镜（NALM）、非线性偏振旋转（NPR）等都是宽谱响应经典元件，不具有量子特性。随着饱和吸收光谱学和速度光栅原子光谱学的最新发展，应用双频或多频激光器与原子相互作用，已经证明可以极大地增强光谱信号的幅度和信噪比（SNR）。在这两种应用中，如果使用传统的宽光谱锁模激光器，落在原子共振带宽之外的梳状线激光功率不仅多余，而且会引起原子跃迁的频率偏移，最终降低光谱信号的准确度。此外，激光场之间的频率间隔也对光谱信号的幅度有显著影响。因此，迫切需要一种具有可调重复率和对应于量子跃迁线的中心波长的窄光谱锁模激光器。
为解决该需求，北京大学电子学院陈景标教授课题组利用法拉第原子滤光器的量子特性，即原子滤光器只对与原子量子跃迁频率共振的光具有的窄带透射特性和可饱和吸收特性，在法拉第激光器中获得了一种光谱宽度在GHz量级，透射中心波长对应原子跃迁频率的量子锁模脉冲。
图2 原子滤光器的量子特性和量子锁模法拉第激光器实验装置图
在这项研究中，除了原子滤光器的量子特性促使激光锁模运转外，滤光器中的原子气室对非共振波长的光还具有慢光效应，这一新特点使得锁模的重复频率可以远远偏离了物理腔长对应的基本重复频率及其限制。理论计算和谐振腔外延时测试证明法拉第激光在气室中传播时，其对应群速度折射率约在11~14之间，主要取决于气室温度。在谐振腔物理腔长不改变的情况下，气室温度分别设置在97℃和101℃时，获得的锁模脉冲重复频率分别为261 MHz和228 MHz，光谱宽度分别为1.3 GHz和1.85 GHz，光谱中心波长都能对应87Rb 52S1/2 F=2→52P3/2多普勒吸收峰。这种新型的基于原子滤光器量子锁模激光技术，优势在于输出脉冲光谱窄，且中心波长直接对应原子量子跃迁频率，将是原子高精密光谱技术、量子精密测量、高功率光放大等领域的新型特种光源。
图3 法拉第激光在气室温度为97°C（左栏）和101°C（右栏）时的锁模输出特性
该研究工作在北京大学电子学院陈景标教授领导下完成，北京大学电子学院博士后高志红为论文第一作者，共同研究人员还包括北京大学电子学院张志刚教授、博士生王志洋和刘子捷。该研究得到了“量子科学与技术创新”重大项目、温州重大科技创新重点项目和中国博士后创新人才支持技术的支持。
