叠加前向（上）和后向（下）泵浦传播的模型结构。黑色箭头表示泵浦光第一次通过和第二次通过时前向散射和后向散射的声子场k矢量。

近日，麦考瑞大学的研究人员开发了一种创新技术，它能够将激光束的线宽缩小超过一万倍。这一研究发现将可能彻底改变量子计算、原子钟和引力波探测领域。该项研究成果以“Linewidth narrowing in Raman lasers”为题，发表在《APL Photonics》杂志上。

该研究团队描述了其如何利用金刚石晶体和拉曼效应——即激光光刺激材料中的振动，然后从这些振动中散射，来将激光束的线宽缩小到超过10,000倍。激光线宽是衡量光束频率稳定性和颜色纯度的核心指标。线宽越窄，激光的单色性与光谱纯度越高，在精密操控与测量中表现越优异。该研究团队的理论预测表明，他们开发的方法有望实现更大的改进。

传统缩窄激光线宽的方法，是使用布里渊激光器，它利用声波与光相互作用，但效果相对较弱，通常只能将线宽缩窄数十到数百倍。这项由麦考瑞大学研究团队开发的新技术，打破了这一瓶颈，研究团队利用受激拉曼散射原理，使激光激发材料内部更高频的振动，其缩窄线宽的效果比传统方法高出数千倍。本质而言，相当于是提出了一种新的激光光谱净化技术，可适用于多种不同类型的输入激光。这在激光技术领域实现了根本性的突破。

泵场（红色）、斯托克斯场（橙色）和声子?。ɡ渡┑南辔谎莼Ｐ?。

实验与结果

研究人员使用具有优异热性能并能提供稳定测试环境的金刚石晶体对该技术进行了测试。

他们在一个精心设计的腔体内，使用直径仅几毫米的金刚石晶体，测试了一个故意制造的“噪声”输入光束，其线宽超过10 MHz。他们的拉曼散射技术将输出激光束的线宽压缩至其检测系统极限的1 kHz，压缩因子超过10,000倍。

研究团队的计算机建模表明，通过对当前设计进行改进，他们有可能将激光线宽缩窄超过1000万倍。

单侧PSD测量结果显示，泵种子和斯托克斯在高频时出现显著的噪声窄化现象。仪器对斯托克斯的分辨率极限已标注。

技术原理

这项新技术解决了造成激光束纯度下降和精度降低的微小随机光波时序变化问题。在一个理想的激光器中，所有光波都应完美同步——但实际情况是，有些光波会略微超前或滞后于其他光波，导致光的相位发生波动。这些相位波动会在激光光谱中产生“噪声”——它们模糊了激光的频率，使其色彩纯度降低。

拉曼技术的原理是，通过将这些时间不规则性转化为金刚石晶体中的振动，这些振动会被迅速吸收和耗散（在几万亿分之一秒内）。这使得剩下的光波具有更平滑的振荡，因此光谱纯度更高，并对激光光谱产生显著的窄化效果。

(a) 激光系统示意图，显示关键组件。WNG：白噪声发生器，OC：输出耦合器，IC：输入耦合器，EOM：电光调制器，LBO：锂三硼酸盐，λ/2：半波片。 (b) 带反?。ǔ壬┖筒淮蠢。ɡ渡┦钡乃雇锌怂蛊德势?。对于带反馈的情况，已包含压电电压以指示漂移补偿。

多重优势

除了卓越的线宽窄化效果外，研究人员发现其拉曼技术相较于传统布里渊方法具备多重优势，包括实现更小的最小线宽。

这些超窄线宽激光器有几个令人兴奋的应用领域：

量子计算机：操纵作为量子信息基本单位的量子比特（qubits）需要极其精确的激光控制。目前的激光器会引入相位噪声，导致量子计算中的错误。更好的光谱纯度将提升量子计算机的可靠性。

原子钟：原子钟是GPS导航的基础，更高的光谱纯度将增强其性能，并可能在未来推动基础物理学的新发现。

引力波探测：测量时空极其微小扭曲的引力波探测器，通过使用更窄线宽的激光束，可以变得更加灵敏，从而可能探测到来自遥远宇宙事件的更微弱信号。

未来方向

研究人员称：“到目前为止，这项工作重点是通过检查瞬时激光线宽来验证这一概念，下一步将涉及改进腔体设计和采用主动稳定系统，以便解决那些随时间推移导致线宽展宽的振动和漂移问题?！?/p>

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