Laser application in Quantum
超窄线宽激光器（ultra-narrow linewidth lasers）在量子领域有多种重要的应用。其特性使其在需要高度稳定和精确控制的量子技术中尤为重要。以下是超窄线宽激光器在量子领域的一些主要应用：
1）原子钟超窄线宽激光器被用于光学晶格钟和离子钟等高精度原子钟中。这些激光器的极高频率稳定性和低相位噪声有助于提高原子钟的准确性和稳定性，进而提升时间测量的精度。光学原子钟的准确性已经超过了传统的微波原子钟，其频率稳定性主要依赖于超窄线宽激光器。
2）量子计算在量子计算中，超窄线宽激光器可以用于操控和读出量子比特（qubits）。特别是在离子阱量子计算和超导量子计算中，高稳定性的激光器用于激发量子比特的特定能级转换，进行量子门操作。这些操作需要极其精确的激光频率以避免误差。
3）量子传感超窄线宽激光器用于量子传感器，例如原子干涉仪和引力波探测器。这些传感器利用超冷原子或离子，依赖于稳定的激光光源来进行干涉测量和精密控制。激光器的频率稳定性和线宽对这些传感器的分辨率和灵敏度至关重要。
4）量子通信在量子通信中，超窄线宽激光器可以用于产生单光子源或纠缠光子对，这些是实现量子密钥分发（QKD）和量子网络的重要元件。激光器的窄线宽和稳定性有助于确保量子态的纯度和传输的可靠性。
5）激光冷却和囚禁超窄线宽激光器用于激光冷却技术，可以将原子或离子冷却到极低的温度。这些冷却的粒子用于构建量子气体、量子模拟器和其他量子装置。在激光冷却过程中，激光器的频率和线宽直接影响冷却效率和最终温度。
离子的钟跃迁指的是离子内部特定能级之间的跃迁，这些能级具有非常窄的线宽和极高的频率稳定性，成为制作原子钟的基础。原子跃迁探测技术依赖于高精度的激光器，如超窄线宽激光器，来激发和探测原子或离子的特定跃迁。
传统激光器
只有部分功率与原子相互作用：传统激光器的光束中，只有一部分功率能够有效地与原子相互作用，进行跃迁探测；未耦合的光也可能成为噪声源：未与原子有效耦合的激光光束部分可能会成为探测中的噪声源，影响测量精度。
超窄线宽激光器
超窄线宽激光器可有效地与原子相互作用：高效地与原子相互作用，提高跃迁探测的效率。可以进一步稳定以获得良好的长期稳定性：超窄线宽激光器可以通过进一步的技术手段实现更高的稳定性，从而在长期应用中保持优异的性能。
总的来说，超窄线宽的激光器在量子领域具有广泛的应用，可以实现对量子系统的精确控制和测量，推动量子技术的发展和应用。
回音壁光学谐振腔与自注入锁定
Whispering-Gallery Mode and Self-injection Locking
光学谐振腔
光学谐振腔，是一种光学器件，能够通过循环谐振，将光线束缚在很小的体积中，利用这一特性，可以极大的提高谐振腔空间内的光的能量密度，从而产生光学的相互作用。由于束缚的光子是在光学谐振腔的内部进行循环谐振，因此光学微腔具有和其尺寸相关的谐振频谱。一般的光学微腔是微米或亚微米量级的尺寸。理想状态下的光学微腔应当是无限束缚进入其内部的光线(即没有损失)，光学微腔的表面理想状态应当是足够的光滑，使得光可以长时间的被束缚在里面，但因为现实中加工的限制，不能使光子永远被束缚在微腔中，光学微腔的品质因子(Q值)即用来描述现实中与理想条件的偏差。按照对光的束缚的方式的不同，一般将光学微腔分为如下四类：
早在19 世纪，著名科学家Rayleigh 爵士就首次分析了其中的声学原理给出了物理解释。他认为：这是由于声波沿着回廊光滑的墙内壁连续反射来进行传播，传播损耗很小。这种声波模式也因此被命名为“耳语回廊模式”，而在中国我们习惯性叫作“回音壁模式”。由于电磁波在从光密介质向光疏介质传播时会发生全反射现象，因此在具有旋转对称的几何结构中，当光线沿着几何结构边界内壁传播时会发生连续的全反射，光束被约束在环形边界上，从而产生类似的回音壁现象。若光束绕几何结构边界行走一圈的光程满足波长的整数倍时，会产生干涉加强现象即共振现象，其中用来约束光场的环形结构即被称为回音壁模式光学微腔。
描述光学微腔的回音壁模式通常有几个特征参数，其中最重要的两个参数分别为品质因子(Quality factor， Q) 和模式体积(Mode volume，Vm)，另外还有自由光谱范围(Free spectral range，FSR)、线宽(Linewidth)、功率堆积因子(Build-up factor)和精细度(Finesse)等。
美国OEwaves公司超窄线宽激光器
Ultra-narrow Linewidth Laser
美国OEwaves公司凭借特有的回音壁光学微腔（WGM）技术享誉业界，该技术于2010年获得专利，它采用了高质量的光学谐振器，通过谐振光学反馈技术，实现了对激光二极管自注入锁定能力的有效利用。
WGM光学谐振腔
美国OEwaves公司研发的WGM光学谐振腔尺寸非常小，100μm至几毫米。OEwaves激光器拥有极高的Q-factor系数，可达1000亿，晶体可穿透的波段非常宽，从近紫外到中红外370-4500nm的波段。
激光器原理图
激光二极管产生非常宽频的谱线，如10MHz或100MHz，非常宽频的谱线经过棱镜可导入回音壁模微腔，由于回音壁模微腔非常窄频，因此仅有一小部分导入其中模态并环绕其中，环绕的光通过瑞利散射方式产生背向散射然后重新导入背向模态里，跟原来的激光二极管进行耦合，该共振腔可看作一个非常窄频的光学镜，通过主动放大的方式可以有效将激光器线宽压低。
线宽&噪声抑制
美国OEwaves激光器PZT调控速率大于10MHz，因此可有快速调变和慢速调变，通过调变方式可将激光器锁定在所需信号上，让激光器进一步稳定，非常适用于原子钟和量子领域的应用。
通过美国OEwaves公司线宽测试系统可测量出激光器的线宽，通过上图可看出瞬时线宽可有效抑制10000倍至5Hz，光学谐振腔激光器的相位噪声可降低40-60dB。
OEwaves激光器生产过程
技术参数
Technical Parameters
778.10 nm 种子激光器
输出功率：4.1 mW
瞬时线宽：6.5 Hz
无模式跳跃调谐：19.8 GHz
1012.79 nm 带集成放大器种子激光器
3500 nm 种子激光器
1056.84 nm 带集成放大器种子激光器
卓越光子
About Beyond Light
卓越光子作为美国OEwaves公司在中国独家授权的代理商，负责OEwaves公司线宽测量仪及RIN噪声分析仪以及超窄线宽激光器等产品在中国的销售、技术支持、售后服务、市场拓展和渠道建设等工作，如您对产品有什么疑问的话，我们期待与您更深入的探讨！
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