1960年,西奥多 · 梅曼(Theodore Maiman)利用人工合成的红宝石晶体作为激活物质并利用闪光灯通过光泵浦实现粒子数反转,研制成功了第一台脉冲光学激光器。六个月之后,阿里 · 贾范(Ali Javan)发明了第一台连续光学激光器(在他的氦-氖激光器中,被电激励到激发态的氦原子与基态氖原子的碰撞产生了连续激光输出所需要的粒子数反转)。仅仅一天之后,这种激光器就被用于电话信号传送。如今,其应用范围涵盖从精密光谱学到材料处理的众多领域。
目前,人们已把目光投入到原子激光器上。与光学激光器不同,原子激光器利用的是物质的波动性质。在气体中,不同的单个原子通常处于不同的运动状态,而原子激光器的运转要求它们必须都处于相同的运动状态。这已在玻色-爱因斯坦凝聚体中得以实现。在玻色-爱因斯坦凝聚体中,许许多多的原子都被陷获在能量最低的量子态上。在实验证实了上述物质波的相位相干性之后,人们把原子势阱与可控漏孔相结合,成功地从陷获的玻色-爱因斯坦凝聚体中释放出了相干原子束。与Q-开关激光器和锁模激光器相类似的原子激光器宣告问世。但实践表明,原子激光器由脉冲工作方式向连续运转方式的进展困难重重。改善对漏孔的控制可使单一的凝聚体释放出持续时间可达100毫秒的原子激光束,但补充凝聚体中的原子却成为阻碍原子激光器由脉冲运转方式向连续运转方式进展的主要障碍。
人们已经提出了许多可对原子谐振腔进行连续泵浦的复杂方法。这些想法中的大多数都是基于原子的不同内态和外态之间的光泵浦。但是,实践证明这些方法都不具有足够高的泵浦效率,无法克服固有损耗,进而无法实现激光运转。主要问题在于邻近原子对散射光子的再吸收过程会产生令泵浦增益作用无法克服的损耗机制。对于光学激光器来说,由脉冲到连续泵浦和运转这一步似乎是顺理成章的,但对于原子激光器来说,人们一直无力跨过这一步。即使在第一个玻色-爱因斯坦凝聚实验完成七年之后,仍然没有一台真正的连续原子激光器见诸报道。
柴卡特(Chikkatur)等人目前利用一个意想不到的简单的原理解决了连续运转凝聚原子储存器问题。他们不是在单一的空间地点进行激光冷却并储存玻色-爱因斯坦凝聚体,而是在一个分开的真空室存储玻色-爱因斯坦凝聚体,在另一个地点制备玻色-爱因斯坦凝聚体。
通过对储存室与制备室进行空间分离,他们避免了由于原子对制备室内散射光的吸收而引起的对凝聚原子储存器的难以避免的破坏作用。虽然泵浦的机制仍然是脉冲的,但其重复速率快于谐振腔的衰减时间,因此它可被用于今后的实验中,结合以合适的外部耦合器可以从势阱中连续地释放原子,进而获得连续的原子激光束。这种新方法在技术上是复杂的,但其基本原理是简单的。它展示了如何才能常规地操纵、输运并合并玻色-爱因斯坦凝聚体。
也许不能指望一日之功,但探讨连续原子激光基本应用的实验已经开展。对于连续原子激光器,目前尚有许多未解决的问题:连续原子激光的光谱具有什么特性?合并过程会对玻色-爱因斯坦凝聚体的相位产生什么影响?原子激光的谱线能窄到何种程度?它能否成为一种精密的光谱学工具?是否有可能利用它制造适用于日常原子光学应用的易于操作的、小型化的,原子束源?物质波是否也可以被连续放大?
根据柴卡特等人的实验结果,上述许多问题的答案似乎是可以得到的。他们解决连续原子激光器问题的方法,技术先进而原理简单,在复杂原理失效的情况下获得成功。下一步的任务是拓展这些基本原理,研制开发“高功率”的原子激光器。
[Science,2002年6月21日]