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那些年,诺奖得主用过的激光器

2020-10-01 07:37
来源:澎湃新闻·澎湃号·湃客
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内容来源:Thorlabs索雷博

激光诞生60年,Theodor Hänsch使用激光56年。以激光探索世界,他改进染料激光器为精密光谱学带去革命性的发展;他提出激光冷却理论,原子物理学从此不同,新晋诺奖得主层出不穷;他数十年不断提高氢原子1S-2S跃迁频率的测量准确度,一步一步开创出划时代的光学频率梳技术,最终荣获2005年诺贝尔物理学奖。

今天我们回顾Theodor Hänsch与激光的不解之缘。

让我们回到1969年。当年的爱丁堡量子光学暑期学校聚集了至少五位未来诺奖得主,包括刚刚博士毕业的Hänsch和斯坦福大学教授Schawlow。初次相遇,Hänsch立刻受Schawlow的风趣和敏锐思维所感染,并说服后者接收自己去斯坦福做博后。一对良师益友就此走到一起,而Hänsch也将在斯坦福度过极富创造力的16年科研生涯。

Theodor Hänsch和Arthur Schawlow

1970年3月,在前往斯坦福的途中,Hänsch转道贝尔实验室拜访时见到了氮气激光泵浦染料激光器。他意识到,如果能够压缩染料激光的线宽,就能用在无多普勒展宽的饱和吸收光谱学上。这说明关注相关领域研究的重要性,就像他在诺贝尔奖演说中提到,得知英国巴斯大学Philip Russell团队早几年就已开创了光子晶体光纤时已经太晚。否则,跨倍频程的自参考光学频率梳可能更早诞生。

到达斯坦福后,Hänsch购买了一台氮气激光器开始搭建自己的染料激光器。这种基于光栅的可调谐染料激光器的线宽太宽,他认为增加光栅的照射面积可以提高光栅分辨率,由此减小激光线宽。于是他就从口袋掏出一个普通望远镜,这是他听讲座时用来看幻灯片用的。望远镜插入激光腔内扩大光束,照明更大的光栅面积,激光线宽随即被明显压缩。著名的Hänsch牌可调谐、窄线宽染料激光器从此开启神奇的光谱研究之旅。

T. W. Hänsch,"Repetitively Pulsed Tunable Dye Laser for High ResolutionSpectroscopy," Appl. Opt. 11, 895-898 (1972)

Hänsch和Schawlow使用这种染料激光器推动了一系列光谱学技术的发展,比如饱和吸收光谱、偏振光谱、双光子吸收光谱,甚至用于研究果冻变成可食用激光器的可能性。通过消除多普勒频率展宽,他们能够以前所未有的高分辨率研究原子和分子光谱,根据实验结果验证原子理论或者测量基本常数,这一系列的成果最终使Schawlow获得了1981年的诺贝尔物理学奖。

Hänsch在研究染料激光器的过程中认识到,一种新工具能够解锁众多应用之门,而且,简单但粗略的原理性验证实验可能比完美但复杂到令人敬畏的实验产生更大的反响。

Theodor Hänsch

斯坦福,1978年

Arthur Schawlow

生活大爆炸莱纳德原型

1975年,Hänsch和Schawlow提出激光冷却原子气体的理论,促使很多物理学家开展相关实验并因此摘得诺奖,包括1997年的光学粘胶和2001年的波色爱因斯坦凝聚(BEC);其中因为BEC获奖的Carl Wieman是Hänsch在斯坦福的博士学生。发现Schawlow也是很神奇,他和Townes在1958年奠定激光理论基础但没有做出实验,他和Hänsch奠定激光冷却原子理论但将其搁置。大神总是把幸运的路留给别人探索。

1995年,Hänsch在马克斯量子光学研究所的团队还提出了一种紧凑型外腔二极管激光器(ECDL),使用光栅构造外腔实现稳定的单频工作。这种激光器配置在原子物理学实验中一直占据很重要的地位。

对于Hänsch在斯坦福的研究,实验工作一般只要一个学生或者加一个博士后就能完成,所以一有新想法就能快速实施。这正是Hänsch最喜欢的理想环境,便于发挥深刻的理解和想象力。当年他放弃热门的粒子物理学选择刚刚起步的激光研究正是因为前者需要很强的团队合作不符合其性格和兴趣。他第一眼就被氦氖激光的散斑图案迷住,那还是遥远的海德堡时代,也是激光问世后的第4年,那年他只有23岁。

在这些敏捷型的研究中产生了一系列新的光谱技术(比如Hänsch-Bordé技术)、新的激光类型(比如可食用果冻激光器 :)、新的稳频技术(比如Hänsch-Couillaud技术)以及无数科研灵感,促使一代又一代的学生和访问学者不断利用激光探索科学前沿。Hänsch现有50多位博士或博后学生成为教授。为庆祝其75岁生日,Springer曾专门出了一本《Exploring the World with the Laser》论文集(

),包含其同事、合作者和朋友们所写的43篇文章。感兴趣的读者可通过拓展链接浏览文献目录。

书中除了新的激光技术,比如972.5 nm掺镱放大器四倍频至243.1 nm、基于双滤光片选频的外腔二极管激光器以及Figure 9®飞秒光纤激光器,还有激光在光谱学、原子物理学和光力学领域的众多前沿应用。

Exploring the World with the Laser

Dedicated to Theodor Hänsch on his 75th birthday

Hänsch和Schawlow的科研氛围充满快乐和乐趣,两人都对70年代兴起的微电脑非常感兴趣,并且花很多钱购买设备,包括第一代苹果电脑(乔布斯还去上过Hänsch的电磁学),以至于办公室看起来就像太空项目的控制中心。他们在1980年左右靠写简单图形软件赚了几十万美元,如果当年在硅谷成立一家图形软件公司,也许今天也是Adobe级别。为了在旧金山湾区个人电脑展上吸引更多注意,Hänsch甚至整了一家叫做Menlo Systems Inc.的公司,因为在电脑展商的眼里,斯坦福教授毕竟没有创业公司CEO吃香。

1986年,Hänsch离开斯坦福回到德国,把硅谷的创业精神带到了普朗克量子光学研究所。2001年,他的两位学生Ronald Holzwarth和Michael Mei创立Menlo Systems GmbH,致力于为全球科学家提供最精密的计量设备。公司名称源于新泽西州的Menlo Park,也就是爱迪生发明灯泡的地方。

飞秒激光器、THz光谱仪、光梳、超稳激光器

光梳的诞生,源自Hänsch几十年来对氢原子1S-2S跃迁频率精密测量的极致追求。关于光梳发展中的一些关键技术突破,您可参阅Hänsch的诺贝尔奖演讲稿(Passion for precision),以下重点介绍载波包络偏移频率的测量。

1996年,Ferenc Krausz等人发现,连续波锁模激光器无法输出相同的脉冲,不管每个纵模的相位锁定得多么完美,也不管频率间距如何相等。这是因为激光谐振腔内色散元件中的群速度和相速度(分别决定脉冲包络和载波的传播速度)略有不同。

激光锁模

从时域到频域,从脉冲串到频率梳

如上图所示,脉冲每次在腔内往返后,载波包络(CE)相位都会产生一定偏移(Δφ):

其中��R为往返相位延迟(取决于相速度),ωL为载波角频率,TR为激光脉冲的往返时间(取决于群速度)。这种准周期脉冲串的傅里叶变换频谱为一系列等距谱线,每条谱线的频率由下式给出:

这个公式将一个光学频率(ωn)和两个射频(ωr和ω0)联系在一起。式中n是一个高达百万的整数,而ωr=2π/TR为往返频率,可直接用光电二极管测量。所以测量光学频率的关键在于另一个射频:偏移频率ω0。

ω0和Δφ的简单关系如下:

因此,控制和稳定CE相位可通过控制偏移频率进行,为此可使用Hänsch发明的自参考技术测量。对于跨倍频程的锁模频谱,其低频端倍频后与高频端干涉,刚好在2(nωr + ω0) - (nωr + ω0) = ω0处得到所需强度调制的拍频信号,使用光电二极管就可将其测出。知道偏移频率后就能知道频率梳每一条谱线的频率,就像一把光学直尺,测量未知激光时只需找到最近的梳线进行比对即可。

使用飞秒光梳测量连续激光频率的示意图

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原标题:《那些年,诺奖得主用过的激光器》

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