北京大学研究团队在新型激光领域取得重要进展

近日，北京大学电子学院陈景标教授团队在新型激光领域研究方面取得突破性进展，成功利用精细度达最低极限值2的光学谐振腔实现了线宽在kHz量级的极坏腔主动光钟激光，该结果刷新了国际同行对光学谐振腔应用的认知，为实现窄线宽激光提供了反直观的技术途径。相关研究成果以“An extremely bad-cavity laser”为题，发表于自然出版社旗下的国际学术期刊Npj Quantum Information。

激光是20世纪最伟大的发明之一，由于其方向性高亮度、单色性和高相干性，已成为科学、工业和医疗应用中最通用的工具。其中，具有超窄线宽的超稳激光器在量子光学、精密光谱和基础物理测量中具有广泛的应用前景。自1983年首次提出以来，利用超高精细光学谐振腔（精细度现已可达数十万）来压窄激光线宽的Pound-Drever-Hall (PDH)稳频技术已成为一项压倒性技术，但其性能的进一步提升不可避免地受限于腔长热噪声。

为解决该国际难题，北京大学电子学院陈景标教授课题组利用超低精细度（~2.01，接近最低极限值2）的光学谐振腔实现了一种极坏腔主动光钟激光，证明了显著的线宽压窄效果。主动光钟由陈景标教授于2005年国际首创提出，其工作在坏腔区域，输出钟激光频率取决于稳定的量子跃迁频率而非外部参考腔，故能够有效解决传统被动光钟里PDH稳频系统的腔长热噪声问题。

原理示意图及1470nm极坏腔激光的实现

在这项研究中，激光器腔精度接近于最低极限值2。利用如此低精细的谐振腔实现激光，并研究其物理原理和机制，证明其在量子精度测量中的独特优势，之前从未被报道过。该工作利用7.17MHz的增益线宽，实现了1.2kHz的窄线宽激光输出，实现了优于原子跃迁自然线宽3个量级的线宽压窄效果。实验上得到腔牵引系数为0.0148，是目前连续波主动光钟激光器的最低值。极坏腔激光的新概念不同于传统激光，这一研究成果为实现主动光钟超窄线宽激光提供了新的技术途径，有望开启量子物理的一个全新研究领域。

极坏腔激光腔牵引抑制效果

该研究工作在陈景标的指导下完成，北京大学电子学院2021级博士研究生张佳为论文第一作者，共同研究人员还包括北京大学电子学院2019级博士生缪健翔、北京大学集成电路学院史田田助理研究员（通讯作者）、国家授时中心于得水研究员。该研究得到了国家自然科学基金、科技创新2030―“量子通信与量子计算机”重大项目、中国博士后科学基金、温州重大科技创新重点项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41534-024-00880-3