199809_laser_jednoatomowy.pdf

LASER

KONWENCJONALNY

DETEKTOR

SOCZEWKA

ZWIERCIADüO

ATOM BARU

ZWIERCIADüO

PIEC

WIZKA ATOMOWA nap«dza laser

jednoatomowy, tak jak pokazano na ry-

sunku. Atomy baru wychodz z pieca

w stanie podstawowym (niebieski) i s prze-

noszone do stanu wzbudzonego (czerwony)

za pomoc wizki æwiat¸a z konwencjonalne-

go lasera. Atomy emituj æwiat¸o laserowe we-

wntrz wn«ki (w obszarze mi«dzy zwierciad¸a-

mi) , po czym powracaj do stanu podstawowego.

Cz«æ æwiat¸a przechodzi przez zwierciad¸a. Wiz-

ka wy¸aniajca si« z jednego ze zwierciade¸ zosta-

je zogniskowana na detektorze fotonw. Laser

umieszczony w komorze prýniowej moýna oglda

przez wziernik (fotografia na ssiedniej stronie) .

72 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1998

Laser jednoatomowy

Nowy typ lasera wykorzystujcy energi« pojedynczych atomw

pozwala obserwowa, jak æwiat¸o oddzia¸uje z materi

Michael S. Feld i Kyungwon An

cia laser sta¸ si« urzdzeniem

bez ma¸a wszechobecnym.

Nauczyciele i przewodnicy wycieczek

uýywaj jego cienkiej wizki jako no-

woczesnego wskanika. Pracownicy do-

mw towarowych korzystaj z laserw

do odczytu kodw kreskowych na ar-

tyku¸ach spoýywczych, a mi¸oænikw

muzyki cieszy znakomita jakoæ dwi«-

ku, ktr zawdzi«czaj miniaturowym

laserom zainstalowanym w odtwarza-

czach p¸yt kompaktowych. Wszystkie

te lasery dzia¸aj na takiej samej zasa-

dzie: ogromna liczba atomw lub cz-

steczek Ð od milionw do bilionw Ð

wsp¸pracujc ze sob, wytwarza inten-

sywn, monochromatyczn wizk«

æwiat¸a. Ostatnio jednakýe opracowali-

æmy laser, ktry dzia¸a z najmniejsz

moýliw liczb atomw: tylko z jednym.

Jednoatomowy laser nie moýe odczy-

tywa kodw kreskowych czy teý od-

twarza muzyki; jego moc wyjæciowa

stanowi oko¸o jednej bilionowej cz«æci

wata (lasery stosowane w odtwarza-

czach p¸yt CD maj moc kilka milionw

razy wi«ksz). Mimo to nasze urzdze-

nie sprawdzi¸o si« juý jako waýne na-

rz«dzie w pracy doæwiadczalnej. åwia-

t¸o wytwarzane przez jednoatomowy

laser wykazuje cechy, ktre da si« wyja-

æni jedynie na gruncie mechaniki kwan-

towej Ð teorii opisujcej oddzia¸ywania

wyst«pujce w skali atomowej i sub-

atomowej. Analizujc zachowanie si«

lasera w zmieniajcych si« warunkach,

naukowcy mog weryfikowa przewi-

dywania tej teorii i g¸«biej wnikn

w natur« æwiat¸a laserowego.

zywa si« emisj spontaniczn. Ma¸y u¸a-

mek tego æwiat¸a, zazwyczaj kilkumilio-

nowy, kieruje si« w stron« jednego ze

zwierciade¸ i zostaje odbity na powrt

do oærodka laserowego. åwiat¸o odbite

indukuje we wzbudzonych atomach

emisj« dodatkowych fotonw o tej samej

d¸ugoæci fali, kierunku rozchodzenia si«

i fazie. Wytwarzanie æwiat¸a o identycz-

nych cechach co pierwotne, zwane emi-

sj wymuszon, jest odpowiedzialne za

wiele niezwyk¸ych w¸aæciwoæci promie-

niowania laserowego. åwiat¸o, odbijajc

si« tam i z powrotem mi«dzy zwiercia-

d¸ami, jest cigle wzmacniane przez oæro-

dek laserowy. Tylko jego ma¸a cz«æ wy-

dostaje si« przez jedno ze zwierciade¸,

ktre tak si« projektuje, by odbija¸o odro-

bin« s¸abiej od drugiego, co w rezultacie

pozwala na wy¸onienie si« dobrze zna-

nej wizki laserowej.

Aby pojawi¸y si« oscylacje laserowe,

wzmocnienie Ð zwi«kszenie nat«ýenia

æwiat¸a podczas jego przechodzenia

przez oærodek Ð musi przewyýszy stra-

ty w nat«ýeniu wizki, spowodowane

niedoskona¸oæci zwierciade¸ i innymi

czynnikami. Ten warunek jest znany

pod nazw progu akcji laserowej. Oæro-

dek laserw tradycyjnych musi zatem

zawiera ogromn liczb« atomw lub

czsteczek w celu uzyskania wystarcza-

jcego wzmocnienia, ktre by przewyý-

szy¸o straty. Na przyk¸ad w jednomili-

watowym laserze helowo-neonowym

jest kilka tysi«cy bilionw atomw neo-

nu i mniej wi«cej 10 razy wi«cej atomw

helu. Wzmocnienie æwiat¸a osiga stan

rwnowagi, gdy od zwierciade¸ rezo-

natora odbija si« tam i z powrotem oko-

¸o miliarda fotonw. Innymi s¸owy,

utrzymanie we wn«ce kaýdego fotonu

wymaga kilku milionw atomw neonu

i dziesitek milionw atomw helu.

Istnieje wiele sposobw zmniejszenia

liczby niezb«dnych atomw. Popra-

wiajc zdolnoæ odbijajc zwierciade¸,

moýemy ograniczy straty w nat«ýe-

niu wizki, dzi«ki czemu fotony s d¸u-

ýej przechowywane w rezonatorze i tym

samym ¸atwiej b«d si« w nim groma-

Laser konwencjonalny

Aby doceni znaczenie lasera jedno-

atomowego, naleýy uprzednio zrozu-

mie, jak dzia¸a laser tradycyjny. Kaýde

takie urzdzenie sk¸ada si« z dwch

podstawowych elementw: rezonatora

optycznego, ktry zwykle stanowi dwa

rwnolegle ustawione zwierciad¸a odbi-

jajce æwiat¸o tam i z powrotem, oraz

z umieszczonego mi«dzy nimi oærodka,

ktry generuje i wzmacnia æwiat¸o. Na

przyk¸ad w laserze helowo-neonowym

takim oærodkiem jest gaz; w laserze neo-

dymowym YAG oærodek sk¸ada si« z jo-

nw neodymu wbudowanych w sie

krystaliczn granatu itrowo-glinowego

(Y 3 Al 5 O 12 Ð przyp. t¸um.). Atomy czy

czsteczki oærodka nie s jednakowe Ð

znajduj si« w rýnych stanach kwanto-

wych, czyli inaczej mwic, s na rý-

nych poziomach energetycznych. W pro-

cesie laserowania uczestniczy tylko je-

den rodzaj elementw czy sk¸adnikw

oærodka, a z nich jedynie bardzo ma¸y

u¸amek faktycznie emituje æwiat¸o lase-

rowe; s to tzw. atomy aktywne, pod-

czas gdy pozosta¸e nazywa si« atomami

t¸a. Atomy aktywne wyst«puj na prze-

mian w dwch stanach energetycznych.

Wzmocnienie æwiat¸a moýe nastpi tyl-

ko wtedy, gdy liczba aktywnych atomw

w stanie o wyýszej energii, czyli wzbu-

dzonych, przewyýsza liczb« atomw

znajdujcych si« w niýszym stanie ener-

getycznym. Taki warunek nazywa si« in-

wersj obsadzenia.

W celu przeniesienia aktywnych ato-

mw ze stanu o niýszej energii do stanu

wzbudzonego w laserze wykorzystuje

si« rd¸o energii Ð na przyk¸ad wy¸ado-

wanie elektryczne. Ale atomy wzbudzo-

ne nie pozostaj takie wiecznie: ich na-

turaln sk¸onnoæci jest powrt do

niýszego stanu energetycznego. Kiedy

to nast«puje, wysy¸aj æwiat¸o w przy-

padkowych kierunkach, a proces ten na-

å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1998 73

W cigu 40 lat od czasu odkry-

TYPY LASERîW

HELOWO-NEONOWY

NEODYMOWY YAG

MIKROLASER

LASER

PîüPRZEWODNIKOWY

JEDNOATOMOWY

ODLEGüOå

20Ð100 cm

5Ð15 cm

2Ð5

1 mm

MI¢DZY

ZWIERCIADüAMI

LICZBA ATOMîW

10 16 ATOMîW NEONU

10 19 JONîW NEODYMU

10 6 PAR ELEKTRONÐDZIURA

1 ATOM BARU

MOC (WATY)

10 Ð3

1.0

10 Ð4

10 Ð12

TE CZTERY LASERY maj bardzo rýne cechy charakterystyczne, chociaý wszystkie wytwarzaj monochromatyczne wizki æwiat¸a.

Laser helowo-neonowy moýna spotka w kaýdym duýym sklepie, ktry ma urzdzenie do odczytu kodu kreskowego, podczas gdy znacz-

nie silniejsz wizk« lasera neodymowego YAG wykorzystuje si« w chirurgii. Mikrolaser p¸przewodnikowy, nad ktrym cigle trwa-

j prace badawczo-rozwojowe, by moýe pewnego dnia znajdzie zastosowanie w komputerach optycznych. Laser jednoatomowy jest

przede wszystkim bardzo waýnym narz«dziem stosowanym w pracach eksperymentalnych, ale rwnieý moýe zosta wykorzystany w ni-

skoszumowym przetwarzaniu informacji i w precyzyjnej spektroskopii.

dzi. W niektrych przypadkach wi«k-

sze wzmocnienie lasera da si« uzyska

poprzez zmniejszenie liczby atomw

t¸a, ktre zderzajc si« z atomami ak-

tywnymi, wp¸ywaj na wzmocnienie

æwiat¸a. W praktyce jednak nawet naj-

bardziej wydajny laser konwencjonal-

ny wymaga co najmniej 100 tys. atomw

na kaýdy foton uwi«ziony w rezonato-

rze. Laser tradycyjny oczywiæcie nie mo-

ýe wytworzy wizki æwiat¸a, jeæli w

oærodku jest tylko jeden atom.

gia fotonw o cz«stoæci radiowej by¸a do-

pasowana do rýnicy energii mi«dzy sta-

nem podstawowym i stanem wzbudzo-

nym. Ale gdy wszystkie atomy osign«¸y

stan wzbudzony, nie mog¸y juý dalej ab-

sorbowa energii fal radiowych. Tak wi«c

proces sam si« odwrci¸: nieprzerwanie

oæwietlane atomy zacz«¸y wysy¸a ener-

gi«, oddajc j polu, ktrego dzia¸aniu

by¸y poddane, i powraca¸y do stanu pod-

stawowego. Nast«pnie ponownie zaczy-

na¸y absorbowa energi« pola, powta-

rzajc ca¸y cykl.

W eksperymentach Rabiego procesy

zachodzce na poziomie pojedynczego

atomu i fotonu nie by¸y widoczne. Foto-

ny o cz«stoæci radiowej maj bardzo ma-

¸ energi«, nawet ma¸ej mocy fale radio-

we zawieraj wi«c ich niezliczone iloæci.

Mi«dzy atomami i fotonami zachodzi tak

wiele aktw wymiany energii, ýe ich

efekty uæredniaj si«, nie dajc ýadnej

moýliwoæci badania kwantowo-mecha-

nicznej natury tego procesu. Na pocztku

lat szeædziesitych Edwin T. Jaynes

z Washington University i Frederick W.

Cummings z laboratoriw badawczych

Ford Motor Company opracowali teori«

majc wyjaæni, w jaki sposb pojedyn-

czy atom o dwch poziomach energe-

tycznych moýe oddzia¸ywa z fal æwietl-

n zawierajc ma¸ liczb« fotonw.

W przypadku tylko jednego atomu cz«-

stoæci oscylacji Rabiego nie mog by do-

wolne Ð musz one przyjmowa wartoæci

skwantowane, podobnie jak to si« dzieje

z doæ odleg¸ymi od siebie poziomami

energetycznymi atomw. Innymi s¸owy,

dwupoziomowy atom powinien emito-

wa i absorbowa fotony z rýnymi pr«d-

koæciami, zaleýnymi od nat«ýenia otacza-

jcego go pola elektromagnetycznego.

Pewn szczegln konsekwencj tej

teorii jest fakt, ýe wzbudzony atom mo-

ýe zosta zmuszony do emisji fotonu po

prostu wskutek umieszczenia go w bar-

dzo ma¸ej wn«ce. Jeæli wn«ka jest rezo-

nansowa, tzn. jej æcianki s odbijajce,

a rozmiary tak dobrane, aby fotony emi-

towane przez atom mog¸y si« w niej gro-

madzi, pojawia si« kwantowo-mecha-

niczne ãsprz«ýenieÓ, ktre powoduje, ýe

atom znacznie szybciej emituje foton, niý

zrobi¸by to w swobodnej przestrzeni. Gdy

atom pozostaje we wn«ce, poch¸ania fo-

ton, ktry wyemitowa¸, i nast«pnie cykl

si« powtarza. Ten proces nazywa si«

prýniow oscylacj Rabiego, poniewaý

pocztkowo we wn«ce nie ma ýadnego

pola elektromagnetycznego. Jeýeli we

wn«ce b«dzie si« znajdowa¸ jeden foton

lub wi«cej, zanim wejdzie do niej wzbu-

dzony atom, to wwczas doæwiadczy on

skwantowanej oscylacji Rabiego i zacznie

emitowa i absorbowa fotony w znacz-

nie szybszym tempie.

Zjawisko to zosta¸o zademonstrowa-

ne w laboratorium w 1984 roku, kiedy

Herbert Walther z Max-Planck-Institut

w Garching (Niemcy) zbudowa¸ mi-

kromaser Ð urzdzenie mikrofalowe

dzia¸ajce zgodnie z teori kwantow.

W eksperymencie Walthera wizka ato-

mw rydbergowskich, w ktrych ze-

wn«trzne elektrony s wzbudzone do

duýych ko¸owych orbit, przechodzi¸a

atom po atomie przez ma¸ wn«k« me-

talow o doskonale odbijajcych æcian-

kach. Wn«ka ta by¸a odpowiednikiem

rezonatora laserowego; jej wymiary od-

Atomy we wn«kach

Nasz jednoatomowy laser wykorzy-

stuje alternatywny sposb wzmocnie-

nia æwiat¸a, oparty na procesie, ktry

nazywa si« skwantowan oscylacj Ra-

biego. Zjawisko to badali naukowcy zaj-

mujcy si« elektrodynamik kwantow

we wn«ce, czyli teori, ktra rzdzi za-

chowaniem si« atomw w skrajnie ma-

¸ych rezonatorach [patrz: Serge Haro-

che i Jean-Michel Raimond, ãElektro-

dynamika kwantowa we wn«ceÓ; åwiat

Nauki , czerwiec 1993]. Jest to by moýe

najbardziej elementarna posta oddzia-

¸ywania æwiat¸a z materi.

Oscylacja Rabiego to okresowa wy-

miana energii mi«dzy atomami i polem

elektromagnetycznym. W latach trzy-

dziestych fizyk Isidor Isaac Rabi by¸

pierwszym, ktry bada¸ ten proces. Gdy

podda¸ prbk« atomw dzia¸aniu odpo-

wiednio dostrojonych fal radiowych,

stwierdzi¸, ýe wskutek absorpcji energii

pola atomy, ktre by¸y w stanie podsta-

wowym, przesz¸y do stanu wzbudzone-

go. Absorpcja nastpi¸a dlatego, ýe ener-

74 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1998

powiada¸y d¸ugoæci fali mikrofalowych

fotonw emitowanych przez atomy

w stanach rydbergowskich podczas ich

przejæ do stanw niýej po¸oýonych.

Zgodnie z przewidywaniami Jaynesa

i Cummingsa, gdy atomy przechodzi¸y

przez wn«k«, emitowa¸y fotony w szyb-

szym tempie. Fotony mog¸y gromadzi

si« w rezonatorze, poniewaý wn«ka zo-

sta¸a wykonana z materia¸u nadprze-

wodzcego i jej æcianki da¸y si« sch¸o-

dzi do temperatury nieco powyýej zera

bezwzgl«dnego, co znacznie zwi«kszy-

¸o ich zdolnoæ odbijajc.

Jednoatomowy laser jest optyczn

wersj mikromasera. Wzbudzone dwu-

poziomowe atomy wchodz jeden po

drugim do mikroskopijnego rezonatora,

gdzie emituj podczerwone fotony o d¸u-

goæci fali nieco przekraczajcej granic«

obszaru widzialnego. Pierwszy foton po-

jawia si« w pustej wn«ce wskutek prý-

niowej oscylacji Rabiego, a nast«pnie

dzi«ki procesowi skwantowanej oscyla-

cji Rabiego zachodzi wzmocnienie æwia-

t¸a. W miar« wzrostu liczby fotonw we

wn«ce zwi«ksza si« prawdopodobieÄ-

stwo, ýe przechodzcy przez rezonator

atom wyæle kolejny foton. To wzmocnie-

nie jest podstawowym procesem, na kt-

rym opiera si« zjawisko emisji wymu-

szonej w tradycyjnym laserze.

Budowa dzia¸ajcego lasera jednoato-

mowego by¸a uzaleýniona od konstruk-

cji rezonatora optycznego, w ktrym

przez stosunkowo d¸ugi czas mg¸by

przebywa foton, zanim zosta¸by po-

ch¸oni«ty przez jedno ze zwierciade¸ lub

wr«cz opuæci¸ wn«k«. Zastosowaliæmy

nowy typ rezonatora, tzw. superwn«k«,

ktra sk¸ada si« z dwch precyzyjnie

ustawionych zwierciade¸ o bardzo du-

ýej zdolnoæci odbijajcej. W latach szeæ-

dziesitych inýynierowie z National

Aeronautics and Space Administration,

prbujc zbudowa system nap«dowy

wykorzystujcy ultraszybkie jony, od-

kryli, ýe wizki jonw, padajc na æcian-

ki komory prýniowej, pokrywaj je

warstw o bardzo duýej zdolnoæci od-

bijajcej. W latach siedemdziesitych

i osiemdziesitych inýynierowie stoso-

wali wizki jonw do produkcji zwier-

ciade¸ uýywanych w ýyroskopach lase-

rowych. I chociaý dzi«ki tej technologii

uzyskano najwyýsz zdolnoæ odbijaj-

c, to mikroskopijne niedoskona¸oæci

kszta¸tu zwierciad¸a ogranicza¸y moýli-

woæci jego zastosowania w rezonatorze.

Jeæli jednak eksperymentatorzy ko-

rzystaj jedynie z malutkiego kawa¸ka

zwierciad¸a Ð zwykle o wymiarach 1 mm

Ð te niedoskona¸oæci s na og¸ do za-

niedbania. Zwierciad¸a ze zdolnoæci

odbijajc aý 99.9999% mog¸yby wi«c

dobrze dzia¸a w rezonatorze. (Zwier-

ciad¸a w typowych laserach zwykle od-

bijaj 99% æwiat¸a, podczas gdy lustro

wiszce na æcianie tylko 90%.) W takim

rezonatorze fotony by¸yby magazyno-

wane 10 tys. razy wydajniej niý w zwy-

k¸ym rezonatorze laserowym. W na-

szym laserze jednoatomowym zwiercia-

d¸a mia¸y zdolnoæ odbijajc rwn

99.9997% i znajdowa¸y si« od siebie

w odleg¸oæci zaledwie 1 mm. Fotony

mog¸y si« odbija tam i z powrotem oko-

¸o wierci miliona razy, zanim zosta¸y

poch¸oni«te przez zwierciad¸a lub opu-

æci¸y rezonator.

Niestety, podtrzymywanie ãdostro-

jeniaÓ takiej superwn«ki do cz«stoæci fo-

tonw emitowanych przez atomy, ktre

przechodz do niýszego stanu energe-

tycznego, nie jest ¸atwe. Jeýeli zwiercia-

d¸a przesun si« choby nieznacznie

i zniknie dopasowanie rezonatora,

wwczas nie mog wystpi oscylacje

Rabiego i atomy we wn«ce nie b«d

emitowa fotonw. Aby zapewni wa-

runki rezonansu atomÐwn«ka, odst«p

mi«dzy zwierciad¸ami regulowaliæmy

za pomoc przetwornika piezoelek-

trycznego Ð kryszta¸u dielektrycznego,

ktry zamienia przy¸oýone do niego na-

pi«cie na odkszta¸cenie mechaniczne.

Serwomechanizm kontrolowa¸ t« odle-

g¸oæ i dzi«ki odpowiedniemu sprz«ýe-

niu usuwa¸ kaýde, nawet bardzo ma¸e

Ð rz«du dziesi«ciotysi«cznej cz«æci na-

nometra Ð odchylenie od w¸aæciwego

rozstawu zwierciade¸.

6000

ZLICZEÁ

5000

4000

STRUMIEÁ

ATOMîW

800

ZLICZEÁ

3000

200

ZLICZEÁ

2000

1000

500

Ð20

RîûNICA CZ¢STOåCI WN¢KI I FOTONîW (MHz)

NAT¢ûENIE WIZKI lasera jednoatomowego gwa¸townie roænie, gdy g«sty strumieÄ ato-

mw baru wchodzi do rezonatora. Jeæli strumieÄ atomw jest rzadki, nat«ýenie æwiat¸a la-

serowego znacznie si« zmniejsza. Warto zauwaýy, ýe zliczenia fotonw spadaj do pozio-

mu t¸a, gdy tylko cz«stoæ rezonansowa wn«ki odstroi si« od cz«stoæci emitowanych fotonw.

å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1998 75

OSCYLACJE RABIEGO Ð po raz pierwszy

zaobserwowane przez I. I. Rabiego (z lewej)

w latach trzydziestych Ð wywo¸uj emisj«

fotonw w laserze jednoatomowym. W swo-

bodnej przestrzeni wzbudzony atom spon-

tanicznie emituje foton w przypadkowym

kierunku (a) . Natomiast we wn«ce rezo-

nansowej atom wyemituje foton szybciej

i w kierunku dok¸adnie ustawionych zwier-

ciade¸ (b) . Proces ten nazywa si« prýniow

oscylacj Rabiego. Jeæli do wn«ki dostanie

si« kolejny wzbudzony atom, obecnoæ w

niej fotonu sprawi, ýe atom ulegnie skwan-

towanej oscylacji Rabiego. Atom znacznie

szybciej wyemituje foton identyczny z

poprzednim i podýajcy w tym samym

kierunku (c) .

a EMISJA SPONTANICZNA

ATOM

WZBUDZONY

Rwnie istotnym zadaniem by¸o do-

branie stosownego atomu w celu wpro-

wadzenia go do tego rezonatora. Taki

atom musia¸ mie odpowiedni par« po-

ziomw energetycznych i ma¸e prawdo-

podobieÄstwo emisji spontanicznej, po-

niewaý ten proces mg¸by zniszczy

oddzia¸ywanie mi«dzy atomem i wn«-

k. Wybraliæmy atomy baru, ktre prze-

chodzc ze stanu wzbudzonego do pod-

stawowego, emituj fotony o d¸ugoæci

fali 791 nm. Atomy te zosta¸y przygoto-

wane przez stopienie w piecu metalicz-

nego baru i skierowanie powsta¸ej pary

w stron« przerwy mi«dzy zwierciad¸ami.

Z pieca wydostawa¸a si« wska wizka

atomw baru, ktre porusza¸y si« ze

æredni pr«dkoæci 360 m/s. Dzi«ki te-

mu, ýe rezonator by¸ ma¸y, a g«stoæ

strumienia atomw niewielka, w kaýdej

chwili wewntrz rezonatora znajdowa¸

si« najwyýej jeden atom.

Tuý przed wejæciem do wn«ki atomy

baru przechodzi¸y przez wizk« æwia-

t¸a z konwencjonalnego lasera tytano-

wo-szafirowego, ktry by¸ dok¸adnie do-

strojony do wzbudzania atomw ze

stanu podstawowego do stanu o wi«k-

szej energii. Gdyby te atomy zosta¸y po-

zostawione same sobie, to ærednio po

trzech milionowych cz«æci sekundy

spontanicznie powrci¸yby do stanu

podstawowego, emitujc fotony o d¸u-

goæci fali 791 nm. Wn«ka ma jednak t«

sam rezonansow d¸ugoæ fali, na nie-

ktrych wi«c atomach baru (podczas ich

przechodzenia mi«dzy zwierciad¸ami)

wymusza emisj« fotonw w czasie

200-miliardowych cz«æci sekundy.

Gdy pierwszy atom wszed¸ do puste-

go rezonatora, szansa na to, ýe dozna

prýniowej oscylacji Rabiego i wyemi-

tuje foton, wynosi¸a 23%. Lecz kiedy juý

pojawi¸ si« pierwszy foton, powsta¸e we-

wntrz rezonatora pole elektromagne-

tyczne wywiera¸o wi«kszy wp¸yw na

kolejny atom baru, ktry wszed¸ do wn«-

ki, i prawdopodobieÄstwo, ýe wyemi-

tuje on foton, podskoczy¸o do 42%.

W miar« jak zwi«ksza¸a si« liczba foto-

nw w rezonatorze, prawdopodobieÄ-

stwo emisji fotonu by¸o coraz wi«ksze.

Ponadto wszystkie wyemitowane foto-

ny mia¸y ten sam kierunek i faz« narzu-

cone im przez geometri« rezonatora.

W rezultacie pojawi¸a si« s¸aba wizka

fotonw laserowych opuszczajca wn«-

k« w kierunku prostopad¸ym do wizki

atomw.

Dzi«ki ma¸ym stratom rezonatora fo-

tony mog¸y pozostawa we wn«ce przez

blisko jedn milionow cz«æ sekundy,

co w standardach atomowych jest do-

sy d¸ugim czasem. Liczb« fotonw zma-

gazynowanych w naszym rezonatorze

oszacowaliæmy na podstawie pomiaru

iloæci æwiat¸a laserowego transmitowane-

go przez jedno ze zwierciade¸. W tym

celu wykorzystaliæmy bardzo wydajny

detektor zliczajcy 40% wszystkich fo-

tonw, ktre na niego pad¸y.

W naszym eksperymencie magazyno-

wanie fotonw trwa¸o dopty, dopki

tempo strat spowodowanych absorpcj

i transmisj przez zwierciad¸a nie dorw-

na¸o pr«dkoæci emisji fotonw przez ato-

my baru. Zmieniajc temperatur« pieca,

mogliæmy wp¸ywa na g«stoæ strumie-

nia atomw. Gdy ærednia liczba atomw

we wn«ce wynios¸a 0.1 Ð innymi s¸owy,

gdy wn«ka pozostawa¸a wype¸niona ato-

mami baru przez 10% czasu Ð uwi«zienie

fotonw by¸o minimalne. Wi«kszoæ emi-

towanych fotonw opuszcza¸a rezona-

tor, zanim mg¸by do niego wejæ kolej-

ny atom. Lecz kiedy zwi«kszyliæmy

æredni liczb« atomw we wn«ce do 0.4,

wwczas w kaýdej sekundzie emitowa-

¸y one oko¸o miliona fotonw, czyli do-

statecznie duýo do utrzymania w rezona-

torze jednego fotonu przez ca¸y czas.

Obecnoæ fotonu we wn«ce zwi«ksza¸a

prawdopodobieÄstwo emisji dodatko-

wego fotonu: gdy zwi«kszyliæmy æred-

ni liczb« atomw do 0.7, moc lasera

wzros¸a siedmiokrotnie.

Laser jednoatomowy jest niezwykle

wydajny. Skoro fotony gromadz si«

w rezonatorze, prawdopodobieÄstwo,

ýe atomy baru b«d emitowa kolejne

fotony, teoretycznie moýe si«gn 100%.

W naszym prototypie maksymalne

prawdopodobieÄstwo emisji wynios¸o

50%, co oznacza, ýe po¸owa energii ab-

sorbowanej przez atomy baru by¸a za-

mieniana na æwiat¸o lasera. Natomiast

wi«kszoæ konwencjonalnych laserw

charakteryzuje si« wydajnoæci w gra-

nicach od 1% do oko¸o 30%.

Lasery przysz¸oæci

Prawdziwa wartoæ lasera jednoato-

mowego polega jednak na moýliwoæci

wykorzystania go jako narz«dzia w eks-

perymencie. Poniewaý æwiat¸o lasera

jest generowane dzi«ki zjawiskom

kwantowo-mechanicznym, to przez

wprowadzenie oddzia¸ywaÄ atomo-

wych do rezonatora i obserwowanie, co

z tego uk¸adu wychodzi, naukowcy mo-

g sprawdza przewidywania teorii

kwantowej. Nasz pierwszy laser nie by¸

idealnym urzdzeniem do takich do-

æwiadczeÄ, gdyý oddzia¸ywania atomo-

we w rezonatorze nie by¸y jednorodne.

Pole elektromagnetyczne w superwn«-

ce mia¸o kszta¸t fali stojcej utworzonej

mi«dzy zwierciad¸ami, ktrej amplituda

wznosi¸a si« i opada¸a sinusoidalnie, po-

dobnie jak w przypadku drgaÄ napi«-

tej struny w pianinie. Z tego powodu

oddzia¸ywanie mi«dzy atomami i wn«-

k zmienia¸o si« wzd¸uý drogi atomw:

przechodzce przez obszar o duýej am-

plitudzie emitowa¸y fotony, podczas

gdy te, ktre znalaz¸y si« w obszarze

o ma¸ej amplitudzie, przechodzi¸y przez

rezonator niezmienione.

Rozwizaliæmy ten problem, wpro-

wadzajc niewielkie odchylenie kierun-

ku wizki atomowej od kta 90¡ w sto-

sunku do ustawienia zwierciade¸. Dzi«ki

przesuni«ciu Dopplera atom nie ãwi-

dzia¸Ó juý pola jako fali stojcej, lecz ja-

ko par« fal biegncych w przeciwnych

kierunkach. Mogliæmy tak dobra odle-

g¸oæ mi«dzy zwierciad¸ami, aby tylko

jedna z nich by¸a w rezonansie z ato-

mem. Takie dostrojenie sprawia, ýe od-

76 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1998

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: