2024年9月13日，电子学院陈景标教授团队在新型激光领域研究方面取得突破性进展，成功利用精细度达最低极限值2的光学谐振腔实现了线宽在kHz量级的极坏腔主动光钟激光，该结果刷新了国际同行对光学谐振腔应用的认知，为实现窄线宽激光提供了反直观的技术途径。相关研究成果以“An extremely bad-cavity laser”为题，发表于自然出版社旗下的国际学术期刊《npj quantum information》。

论文截图

激光是20世纪最伟大的发明之一，由于其方向性高亮度、单色性和高相干性，已成为科学、工业和医疗应用中最通用的工具。其中，具有超窄线宽的超稳激光器在量子光学、精密光谱和基础物理测量中具有广泛的应用前景。自1983年首次提出以来，利用超高精细光学谐振腔（精细度现已可达数十万）来压窄激光线宽的Pound-Drever-Hall (PDH)稳频技术已成为一项压倒性技术，但其性能的进一步提升不可避免地受限于腔长热噪声。

为解决该国际难题，北京大学电子学院陈景标教授课题组利用超低精细度（~2.01，接近最低极限值2）的光学谐振腔实现了一种极坏腔主动光钟激光，证明了显著的线宽压窄效果。主动光钟由陈景标教授于2005年国际首创提出，其工作在坏腔区域，输出钟激光频率取决于稳定的量子跃迁频率而非外部参考腔，故能够有效解决传统被动光钟里PDH稳频系统的腔长热噪声问题。

原理示意图及1470 nm极坏腔激光的实现

在这项研究中，激光器腔精度接近于最低极限值2。利用如此低精细的谐振腔实现激光，并研究其物理原理和机制，证明其在量子精度测量中的独特优势，之前从未被报道过。该工作利用7.17 MHz的增益线宽，实现了1.2 kHz的窄线宽激光输出，实现了优于原子跃迁自然线宽3个量级的线宽压窄效果。实验上得到腔牵引系数为0.0148，是目前连续波主动光钟激光器的最低值。极坏腔激光的新概念不同于传统激光，这一研究成果为实现主动光钟超窄线宽激光提供了新的技术途径，有望开启量子物理的一个全新研究领域。

极坏腔激光腔牵引抑制效果

该研究工作在北京大学电子学院陈景标教授领导下完成，北京大学电子学院2021级博士研究生张佳为论文第一作者，共同研究人员还包括北京大学电子学院2019级博士生缪健翔、北京大学集成电路学院史田田助理研究员（通讯作者）、国家授时中心于得水研究员。该研究得到了国家自然科学基金、科技创新2030―“量子通信与量子计算机”重大项目、中国博士后科学基金、温州重大科技创新重点项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41534-024-00880-3