那些年，諾獎得主用過的激光器

2020-10-01 07:37

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

內容來源：Thorlabs索雷博

激光誕生60年，Theodor H?nsch使用激光56年。以激光探索世界，他改進染料激光器為精密光譜學帶去革命性的發展；他提出激光冷卻理論，原子物理學從此不同，新晉諾獎得主層出不窮；他數十年不斷提高氫原子1S-2S躍遷頻率的測量準確度，一步一步開創出劃時代的光學頻率梳技術，最終榮獲2005年諾貝爾物理學獎。

今天我們回顧Theodor H?nsch與激光的不解之緣。

讓我們回到1969年。當年的愛丁堡量子光學暑期學校聚集了至少五位未來諾獎得主，包括剛剛博士畢業的H?nsch和斯坦福大學教授Schawlow。初次相遇，H?nsch立刻受Schawlow的風趣和敏銳思維所感染，并說服后者接收自己去斯坦福做博后。一對良師益友就此走到一起，而H?nsch也將在斯坦福度過極富創造力的16年科研生涯。

Theodor H?nsch和Arthur Schawlow

1970年3月，在前往斯坦福的途中，H?nsch轉道貝爾實驗室拜訪時見到了氮氣激光泵浦染料激光器。他意識到，如果能夠壓縮染料激光的線寬，就能用在無多普勒展寬的飽和吸收光譜學上。這說明關注相關領域研究的重要性，就像他在諾貝爾獎演說中提到，得知英國巴斯大學Philip Russell團隊早幾年就已開創了光子晶體光纖時已經太晚。否則，跨倍頻程的自參考光學頻率梳可能更早誕生。

到達斯坦福后，H?nsch購買了一臺氮氣激光器開始搭建自己的染料激光器。這種基于光柵的可調諧染料激光器的線寬太寬，他認為增加光柵的照射面積可以提高光柵分辨率，由此減小激光線寬。于是他就從口袋掏出一個普通望遠鏡，這是他聽講座時用來看幻燈片用的。望遠鏡插入激光腔內擴大光束，照明更大的光柵面積，激光線寬隨即被明顯壓縮。著名的H?nsch牌可調諧、窄線寬染料激光器從此開啟神奇的光譜研究之旅。

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

H?nsch和Schawlow使用這種染料激光器推動了一系列光譜學技術的發展，比如飽和吸收光譜、偏振光譜、雙光子吸收光譜，甚至用于研究果凍變成可食用激光器的可能性。通過消除多普勒頻率展寬，他們能夠以前所未有的高分辨率研究原子和分子光譜，根據實驗結果驗證原子理論或者測量基本常數，這一系列的成果最終使Schawlow獲得了1981年的諾貝爾物理學獎。

H?nsch在研究染料激光器的過程中認識到，一種新工具能夠解鎖眾多應用之門，而且，簡單但粗略的原理性驗證實驗可能比完美但復雜到令人敬畏的實驗產生更大的反響。

Theodor H?nsch

斯坦福，1978年

Arthur Schawlow

生活大爆炸萊納德原型

1975年，H?nsch和Schawlow提出激光冷卻原子氣體的理論，促使很多物理學家開展相關實驗并因此摘得諾獎，包括1997年的光學粘膠和2001年的波色愛因斯坦凝聚(BEC)；其中因為BEC獲獎的Carl Wieman是H?nsch在斯坦福的博士學生。發現Schawlow也是很神奇，他和Townes在1958年奠定激光理論基礎但沒有做出實驗，他和H?nsch奠定激光冷卻原子理論但將其擱置。大神總是把幸運的路留給別人探索。

1995年，H?nsch在馬克斯量子光學研究所的團隊還提出了一種緊湊型外腔二極管激光器(ECDL)，使用光柵構造外腔實現穩定的單頻工作。這種激光器配置在原子物理學實驗中一直占據很重要的地位。

對于H?nsch在斯坦福的研究，實驗工作一般只要一個學生或者加一個博士后就能完成，所以一有新想法就能快速實施。這正是H?nsch最喜歡的理想環境，便于發揮深刻的理解和想象力。當年他放棄熱門的粒子物理學選擇剛剛起步的激光研究正是因為前者需要很強的團隊合作不符合其性格和興趣。他第一眼就被氦氖激光的散斑圖案迷住，那還是遙遠的海德堡時代，也是激光問世后的第4年，那年他只有23歲。

在這些敏捷型的研究中產生了一系列新的光譜技術(比如H?nsch-Bordé技術)、新的激光類型(比如可食用果凍激光器 :)、新的穩頻技術(比如H?nsch-Couillaud技術)以及無數科研靈感，促使一代又一代的學生和訪問學者不斷利用激光探索科學前沿。H?nsch現有50多位博士或博后學生成為教授。為慶祝其75歲生日，Springer曾專門出了一本《Exploring the World with the Laser》論文集（

），包含其同事、合作者和朋友們所寫的43篇文章。感興趣的讀者可通過拓展鏈接瀏覽文獻目錄。

書中除了新的激光技術，比如972.5 nm摻鐿放大器四倍頻至243.1 nm、基于雙濾光片選頻的外腔二極管激光器以及Figure 9?飛秒光纖激光器，還有激光在光譜學、原子物理學和光力學領域的眾多前沿應用。

Exploring the World with the Laser

Dedicated to Theodor H?nsch on his 75th birthday

H?nsch和Schawlow的科研氛圍充滿快樂和樂趣，兩人都對70年代興起的微電腦非常感興趣，并且花很多錢購買設備，包括第一代蘋果電腦(喬布斯還去上過H?nsch的電磁學)，以至于辦公室看起來就像太空項目的控制中心。他們在1980年左右靠寫簡單圖形軟件賺了幾十萬美元，如果當年在硅谷成立一家圖形軟件公司，也許今天也是Adobe級別。為了在舊金山灣區個人電腦展上吸引更多注意，H?nsch甚至整了一家叫做Menlo Systems Inc.的公司，因為在電腦展商的眼里，斯坦福教授畢竟沒有創業公司CEO吃香。

1986年，H?nsch離開斯坦福回到德國，把硅谷的創業精神帶到了普朗克量子光學研究所。2001年，他的兩位學生Ronald Holzwarth和Michael Mei創立Menlo Systems GmbH，致力于為全球科學家提供最精密的計量設備。公司名稱源于新澤西州的Menlo Park，也就是愛迪生發明燈泡的地方。

飛秒激光器、THz光譜儀、光梳、超穩激光器

光梳的誕生，源自H?nsch幾十年來對氫原子1S-2S躍遷頻率精密測量的極致追求。關于光梳發展中的一些關鍵技術突破，您可參閱H?nsch的諾貝爾獎演講稿(Passion for precision)，以下重點介紹載波包絡偏移頻率的測量。

1996年，Ferenc Krausz等人發現，連續波鎖模激光器無法輸出相同的脈沖，不管每個縱模的相位鎖定得多么完美，也不管頻率間距如何相等。這是因為激光諧振腔內色散元件中的群速度和相速度(分別決定脈沖包絡和載波的傳播速度)略有不同。

激光鎖模

從時域到頻域，從脈沖串到頻率梳

如上圖所示，脈沖每次在腔內往返后，載波包絡(CE)相位都會產生一定偏移(Δφ)：

其中??R為往返相位延遲(取決于相速度)，ωL為載波角頻率，TR為激光脈沖的往返時間(取決于群速度)。這種準周期脈沖串的傅里葉變換頻譜為一系列等距譜線，每條譜線的頻率由下式給出：

這個公式將一個光學頻率(ωn)和兩個射頻(ωr和ω0)聯系在一起。式中n是一個高達百萬的整數，而ωr=2π/TR為往返頻率，可直接用光電二極管測量。所以測量光學頻率的關鍵在于另一個射頻：偏移頻率ω0。

ω0和Δφ的簡單關系如下：

因此，控制和穩定CE相位可通過控制偏移頻率進行，為此可使用H?nsch發明的自參考技術測量。對于跨倍頻程的鎖模頻譜，其低頻端倍頻后與高頻端干涉，剛好在2(nωr + ω0) - (nωr + ω0) = ω0處得到所需強度調制的拍頻信號，使用光電二極管就可將其測出。知道偏移頻率后就能知道頻率梳每一條譜線的頻率，就像一把光學直尺，測量未知激光時只需找到最近的梳線進行比對即可。