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(chǎn)生的必備條件和相關(guān)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(zhì)(固體、液體或氣體)，并以三明治結(jié)構(gòu)夾在兩個反射鏡之間。激光光束在光學諧振腔內(nèi)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)，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(zhuǎn)分布，接著注入一束可調(diào)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(guān)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(diào)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(nèi)，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(zhì)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(zhuǎn)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(shè)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(lǐng)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(jīng)有人提出建立一個量子網(wǎng)絡(luò)，”他說，“在此網(wǎng)絡(luò)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(zhì)。”

　　此項研究已發(fā)表在Nature Physics上。