法國物理學家首次在實驗室環(huán)境下在冷原子云中制造了一種隨機激光。數(shù)十年前，這種隨機激光現(xiàn)象最初在星云中被觀察到，研究團隊認為，此項研究能夠為自由激光產生的必備條件和相關研究提供一些基本觀點，同時也能夠增進我們對天體物理學的理解，甚至能夠促進此類現(xiàn)象的一些實際應用研究。

　　傳統(tǒng)的激光器通常包括一個增益介質(固體、液體或氣體)，并以三明治結構夾在兩個反射鏡之間。激光光束在光學諧振腔內往復多次振蕩，以受激輻射方式形成一個逐漸增強的相干光場。在隨機激光器中，不需要反射腔鏡，光從位于增益介質中隨機位置的粒子處獲得增益并被放大，與傳統(tǒng)激光器相似，這種方式也是受激輻射放大機制。然而，由于光束的光程是隨機的，輸出的并非一個激光光束，而是各個方向上的多個相干光。

　　隨機激光過程是在1960 年首次提出的，它解釋了一些星云氣體中某些特殊的發(fā)射譜線產生的輻射光強度大于理論值的原因。實際上，隨機激光可以用液態(tài)懸浮液和固體粉末作增益介質來獲得，在這類激光器中，使光發(fā)生散射的粒子是傳統(tǒng)形態(tài)的增益介質，比如氧化鋅顆粒——而天文學家認為在星云氣體激光中原子是使光發(fā)生散射的粒子。

　　禁戒躍遷

　　法國科學研究中心非線性研究所的Robin Kaiser 和他的同事們利用困在磁光阱中的冷銣-85原子云搭建了一臺激光器，他們使用一束泵浦光在同一電子軌道的兩個超精細能級上實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉分布，接著注入一束可調諧波長的激光，以實現(xiàn)粒子向低能受激輻射級躍遷并同時發(fā)生光放大。制造隨機激光器的關鍵點是要確保發(fā)射激光被原子散射，而非被原子重新吸收。通過調諧注入激光波長，使得輻射光的波長位于原子禁戒躍遷范圍之內，以此實現(xiàn)發(fā)射激光的散射效應。研究人員發(fā)現(xiàn)，當激光的頻率與原子禁戒躍遷頻率完全相同時，輸出激光強度激增——這證明了輻射發(fā)光過程被隨機激光過程加強。

　　這種實驗室環(huán)境下的隨機激光器中，首次證明了光子被原子散射的現(xiàn)象的存在，這與星云氣體中的現(xiàn)象本質上是一樣的。然而氧化鋅顆粒輻射壓力的影響是不重要的，光子散射會導致可測量的原子反沖。自由激光過程的各類現(xiàn)象對天體物理學是否有宏觀上的影響仍然沒有定論，然而，“理論上說，如果在輻射過程中加入更多受激輻射，輻射壓力會轉變，這是可能的，”Kaiser解釋說，“因此我們能夠獲得有吸引力的輻射壓力組件。”他指出，研究人員觀測到的冷原子振蕩云與造父變星有相似之處，在重力和輻射壓力之間達到一種平衡。因此應該能在實驗中觀測到負輻射壓力信號。

Kaiser希望以上思路能夠在實驗室使用氣體隨機激光器中得到驗證，然而他也指出，在他們的研究設備和星云氣體激光之間仍存在著明顯的差異。磁光阱中的原子溫度低至50μK，但是在星云氣體激光中卻處在高溫狀態(tài)；研究人員用另一束激光做隨機激光的泵浦光，而星云氣體是由廣譜恒星發(fā)出的光泵浦的。Kaiser希望能夠優(yōu)化實驗系統(tǒng)，來獲得更接近實際星云環(huán)境的狀態(tài)。“我希望能夠與更多的天文學家交流，以找到更加合理和實際的實驗方案，”他如是說。

　　量子效應

　　Diederik Wiersma是佛羅倫薩大學的一位無序光子學領域的專家，他對此項工作印象深刻。他認為除了輻射壓力以外，也有可能研究其他現(xiàn)象，比如糾纏態(tài)原子的光子散射現(xiàn)象和原子和光子之間發(fā)生的量子干涉現(xiàn)象。“你可以利用光子選擇運動路徑的知識，”他解釋說，“如果你這樣想，量子力學的觀點會告訴你它不再是像一個波了。”

　　在更遠的未來，Wiersma認為此系統(tǒng)有助于量子計算。“已經有人提出建立一個量子網絡，”他說，“在此網絡中，你可以利用光連接方法來連接同一量子態(tài)不同位置處的物質。”

　　此項研究已發(fā)表在Nature Physics上。