Amerikanske forskere har fremstillet en prototype af en helt usædvanlig stabil laser.

Forskerholdets leder James K. Thompson mener, at en videreudvikling af prototypen vil gøre det muligt at forbedre stabiliteten af lasere med op til 1.000 gange - og det kan betyde mere nøjagtige atomure og bedre navigationssystemer og rumbaserede astronomiske instrumenter i fremtiden.

Forskerne er alle tilknyttet JILA, som er et fælles laboratorium for National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado i Boulder. De beskriver den nye laser i en artikel i denne uges udgave af Nature.

Næsten fotonløs resonator

Laseres stabilitet afhænger af to forhold: overgangen mellem atomare energiniveauer og den optiske resonator, som er en del af laseren.

En laser er i princippet et atomart medium placeret mellem to delvist reflekterede spejle.

Det bevirker, at fotoner, som udsendes ved stimuleret emission fra atomet - når det henfalder fra en højere energitilstand til en lavere - danner et optisk felt mellem spejlene. Det ene spejl (eller begge) er delvist reflekterende, så en del af lyset undslipper som en laserstråle.

Hvis de to spejle i den optiske resonator ikke udsættes for vibrationer eller bevægelser, så vil laserlyset have en meget stabil bølgelængde eller frekvens - og dermed kunne bruges til højpræcise målinger eller i meget præcise systemer.

I dag er det muligt at opnå en stabilitet på 1:10^15. Grænsen sættes af uundgåelig termisk støj.

Denne grænse har de amerikanske forskere nu vist, de kan omgå.
Fidusen er at have energien lagret i det atomare medium inden i den optiske resonator i stedet for at have det meste af energien i det optiske resonator lagret i lysfeltet, som det sker i konventionelle lasere.

Næste opgave: fra rubidium til strontium

Det optiske medium i den nye laser består af en million rubidium-87-atomer.

Hvert atom udsender en foton hvert sekund, men atomerne arbejder i fælleskab, så lyset siges at blive superradiant.

»Den superradiante laser er meget, meget svag - omkring en million gange svagere end en laser-pointer. Men den er meget stærkere, end man ville forvente ud fra ukoordinerede emissioner fra de enkelte atomer,« forklarer James K. Thompson i en pressemeddelelse fra NIST.

Laseren er så svag, at der i gennemsnit til ethvert tidspunkt kun er 0,2 foton til stede i den optiske resonator.

Teorien for superradians går helt tilbage til en artikel fra 1954 fra den amerikanske fysiker Robert H. Dicke - før den første laser blev lavet.

Teoretikeren Murray Holland fra NIST, som er medforfatter til den nye artikel, har inden for seneste år videreudviklet teorien sammen med sine kollegaer Jun Ye og Dominic Meiser med henblik på at opnå den effekt, som det nu er lykkedes for Thompsons gruppe at eftervise i praksis.

Når forskerne har anvendt rubidium-atomer, er det, fordi de er lette at afkøle og holde fanget. Skal man opnå den bedst mulige stabilitet, skal man bruge andre atomer som f.eks. strontium. Det vil kræve en videreudvikling af systemet.

Dokumentation

Thompsons forklaring af superradians
R.H. Dicke: Coherence in Spontaneous Radiation Processes