德國研發出世界上最精確、線寬最窄的雷射發射器

德國研發出世界最窄線寬的雷射發射器(圖:PTB)

德國聯邦物理技術研究所(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)的研究人員日前研發出一種能發射極窄線寬雷射的發射器,這種發射器能發射出只有 0.01 Hz 線寬的雷射,遠遠小於普通雷射的幾千到幾百萬 Hz 的線寬。

除了 0.01 Hz 的極窄線寬之外,其光波能在每秒約 200 兆次振盪的情況下,持續保持穩定 11 秒,在這段期間,雷射光束可傳播約 330 萬公里,這樣的長度相當於地球到月球距離的近 10 倍。

為了發射窄線寬的雷射,科學家使用了 Fabry-Pérot 矽共振器,這種設備由雙錐體將兩片彼此相對的反射鏡保持在固定的距離。為了讓雷射發射器保持最佳狀態,研究人員消除任何可能對系統干擾的因素,減緩由聲音、地震波、溫度變化等外在因素所引起的反射鏡移動,以對共振器進行最佳化。

此外,為了防止原子本身產生的熱運動,研究人員還將共振器中的矽冷卻到攝氏零下 150 度的低溫狀態,這樣的低溫能將布朗運動(Brownian motion)的影響降到最低。

相關應用

窄線寬雷射發射器能讓雷射的發射更為精確,因此採用這項技術的裝置都能提高準確性。科學家目前正利用這項技術測量超冷原子(ultracold atom),團隊成員 Thomas Legero 表示:「雷射光束的線寬愈窄,光學原子鐘內原子頻率的測量就能愈準確,這種新型的雷射發射器將能幫助我們製造更精確的原子鐘。」

不僅如此,窄線寬雷射發射器的用途還能進一步擴大,這種技術能更準確的測試愛因斯坦的相對論,曾經發射到太空進行相關實驗的兩座雷射發射器,取得的實驗數據都不太理想。

近年光學及雷射技術發展迅速,除了這項技術之外, NASA 最近也開發了月球軌道雷射測高裝置(LOLA),利用雷射製作更精確的月球地形圖;而世界上最大型的雷射裝置:歐洲 X 射線自由電子雷射器(European XFEL),則利用雷射探索原子世界的奧秘。

 

資料來源:

  1. D. G. Matei, T. Legero, S. Häfner, C. Grebing, R. Weyrich, W. Zhang, L. Sonderhouse, J. M. Robinson, J. Ye, F. Riehle, and U. Sterr. (2017). 1.5 μm Lasers with Sub-10 mHz Linewidth. Physical Review Letters. 118, 2632021.5.
  2. Nield, D. (2017, July). Scientists Have Built The Sharpest Laser in History. Science Alert.
Andy Cheng
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明日科學副總編輯,資管碩士,熟悉軟體工程與程式設計,喜歡吸收科普和技術新知。