Описанный в выпуске 14 октября Научных Достижений, продукция «суперсияющего» лазера красного света, как ожидают, будет приблизительно в 10,000 раз менее чувствительна, чем обычные лазеры к распространяющимся механическим колебаниям или шум. В результате новый лазер может захватить на точную частоту или цвет, более плотно, делая его в 100 раз более острым как инструмент точности.Работа была сделана в JILA, партнерстве Национального института стандартов и технологий (NIST) и Колорадского университета в Боулдере.
NIST долго был мировым лидером в развитии ультрастабильных лазеров, и новая работа обеспечивает качественно новый подход для продвижения области далее.Та же самая группа JILA продемонстрировала основной принцип для суперсияющего лазера в 2012. Теперь ученые построили лазер, используя тот же самый тип атомов, используемых в ведущих в мире часах решетки стронция JILA. На самом деле новый лазер мог бы использоваться в качестве атомных часов совершенно отдельно.
Атомы стронция были выбраны, потому что у них есть превосходная «память» об их точном цвете или частоте. Они могут потенциально хранить эту информацию в течение 2,5 минут, по сравнению с простыми 100 миллиардными частями секунды типичных атомов. Это позволяет суперсияющему лазеру хранить и защищать большую часть цветной информации лазера в атомах.
Напротив, обычные лазеры хранят эту информацию в легком подпрыгивании между двумя зеркалами, и любые колебания зеркала зашифровывают его. Способность поддержать точную частоту крайне важна для заявлений как атомные часы, которые полагаются на лазеры, чтобы заставить атомы «тикать» от одного энергетического государства до другого.«Но вот протирать: очень длинная память об атомах потрясающая, но она также делает чрезвычайно трудным заставить атомы излучать любой свет, который предоставляет информацию для нас, чтобы использовать», сказал ученый JILA/NIST Джеймс Томпсон. «Но в этом суперсияющем лазере, впервые, мы уговорили эти атомы, чтобы излучать их свет в 10,000 раз быстрее, чем они обычно хотели бы испустить его».
Суперсияющий лазер JILA использует 200 000 атомов стронция, сложенных в слоях 5 000, и пойманный в ловушку в полом вложении – впадине – между двумя зеркалами (эти зеркала действительно вибрируют, но информация частоты хранится в атомах). Атомы охлаждены к температурам около абсолютного нуля и подняты в вакууме оптической решеткой, «кристаллом света», созданного, пересекая внешние лазерные лучи.
Эксперимент начинается, кратко проливая свет на атомы, чтобы подготовить их в их долговечном, взволнованном или высокоэнергетическом, государство. Экологический сигнал – квантовый шум пустого места – побуждает атомы стронция спонтанно начинать тикать, поскольку их внешние электроны начинают подпрыгивать назад и вперед от одной стороны атома к другому. Колебание похоже на миниатюрную антенну, которая излучает очень небольшое количество света во впадину. Этот очень слабый свет, состоя только из нескольких световых частиц или фотонов, подпрыгивая назад и вперед во впадине, позволяет атомам сообщать и синхронизировать друг с другом.
Это явление синхронизации также очевидно в часах маятника, помещенных друг около друга, и даже в высвечивании светлячков.Поскольку синхронизация распространяется и усиливается, более легкий испускается, пока в конечном счете все theatoms не переместились от взволнованного (высокоэнергетического) в спокойное (энергосберегающее) государство.
Свет подпрыгивает назад и вперед между зеркалами почти 30 000 раз перед просачиванием через зеркала. Вся энергия, первоначально сохраненная в атомах, была преобразована в пульс лазерного света, длящегося 50 сотых частей секунды.Когда синхронизировано, коллекция маленьких антенн действуют как единственная «супер антенна», которая передает власть во впадину в намного более высоком, чем обычная норма – процесс, названный суперсиянием, потому что коллективная эмиссия в 1,000 раз более интенсивна, чем независимо исходящие атомы.
Повышения ставки эмиссии пропорционально к количеству атомов согласовались, делая лазер намного более ярким, чем возможно без синхронизации.Будущие исследования исследуют использование пульсировавшего суперсияющего лазерного света как абсолютная ссылка частоты для таких заявлений как атомные часы. Кроме того, исследователи надеются создать непрерывный суперсияющий лазерный луч, постоянно возвращая атомы во взволнованное государство.«Суперсияющий лазерный свет – все еще миллиарды времен, более слабых, чем типичные лазеры, но ключевой пункт – то, что цвет или частота света должны быть очень стабильными», сказал Томпсон.
Такой лазер мог бы быть столь стабильным, как атомы использовали в самых современных часах. Сегодняшние лучшие атомные часы ограничены частично лазерным шумом.
Поскольку суперсияющий лазер по существу использует атомные часы в качестве своего источника энергии, лазерный свет и читает пометку вслух атомов и неуязвим для колебаний зеркала впадины. У лучших лазеров могут также быть применения в космических исследованиях, возможно как правители света, который мог достигнуть через расстояния, столь же обширные как от Земли до Солнца, потенциально позволив обнаружение гравитационных волн в космосе, например.