原理篇
第1章外腔半导体激光器技术
第2章 饱和吸收光谱与激光稳频技术
第3章 激光冷却与磁光阱技术
第4章 超快光纤激光技术
第5章 光纤飞秒光梳测定光学绝对频率技术
实验篇
实验一外腔半导体激光器的组装
实验二 外腔半导体激光器特性测量
实验四 激光稳频
实验五 磁光阱
实验六 超快光纤激光器特性测试
实验七 掺铒光纤锁模激光振荡器搭建
实验八 光纤飞秒光梳测定光学绝对频率
前言
二十世纪初,科学家们对原子辐射分离光谱的研究,催生了量子力学;二十世纪中叶,激光的出现,使得科学家们对原子内态和外态的精密控制成为可能,同时也为光的频率精密控制奠定了基础。随着原子物理与量子物理基础研究的发展,催生了量子技术:原子的光抽运技术(1966年诺贝尔物理奖)是铷原子钟、原子磁场计等基础;原子饱和吸收光谱技术(1986年诺贝尔物理奖)的发明推动了激光稳频技术的发展;基于激光稳频技术的激光冷却原子技术(1997年诺贝尔物理奖)又推动了原子喷泉钟、光钟(2012年诺贝尔物理奖)、原子干涉仪、原子陀螺、原子磁场计以及玻色-爱因斯坦凝聚(2001年诺贝尔物理奖)、量子模拟、量子计算等的发展。另外,脉冲激光技术的发展,使得科学家们对光学频率的测量与控制更为方便,基于飞秒激光锁模技术的光学梳状发生器(2005年诺贝尔物理奖),可以实现微波至光波的精密频率转换与控制,也可以对原子结构以及物理常数进行高度精密的测量。
以上技术的发展,形成了当代量子技术的基础,相关研究领域都是前沿热门课题,对社会发展产生了深远的影响。本课程设计了一系列实验,将上述诺贝尔奖的成果转换到实验课程之中,使得学生能够通过实验感受、理解与掌握量子技术的基本技巧,具体包括连续激光频率稳频技术、饱和吸收光谱技术、激光抽运技术、原子冷却技术、脉冲激光锁模技术、脉冲激光扩谱技术、光梳频率测量技术等;每个实验的设计都以相关诺贝尔奖的工作为蓝本,遵循高起点低落点的原则,深入浅出精心设计,保证学生能够通过一定的独立思考和小组讨论,就能完整的做出实验,从而直观感受先贤们的绝妙设计;实验课程的目标,旨在锻炼学生基本科研技能的同时,培养科研兴趣,激发科研热情。
同时,为了完备实验课程所涵盖的各类量子技术,新的实验也在不断设计补充之中,确保紧跟时代发展潮流。
北京大学从2012年开设《高等光电子技术实验》课程,本书的内容选自该课程的基本内容,分为原理篇和实验篇两部分,可以为高等光电子技术实验或量子技术基础实验所用。
本教材由北京大学老师共同编写:第一章、实验一、二由齐向晖编写;第二章、第三章、实验四由陈徐宗编写;第四章、实验六、实验七由王爱民编写;第五章、实验五、实验八由王青编写,实验三与仪器附录由赖舜男编写。本教材实验由陈徐宗负责总体设计与策划,由王青与赖舜男负责校对与修改。在编写过程中得到了北京大学王志军老师、李文新老师、张新祥老师等的热情帮助,在此表示诚挚的谢意。
由于水平有限与时间仓促,错误和不妥之处在所难免,恳请读者指出错误和提出意见,我们至为欢迎!
作者
2018年1月
陈徐宗,北京大学北京大学信息科学技术学院教授,博士生导师,量子电子学研究所所长,北京大学新型原子钟中心主任,原北京大学信息科学技术学院副院长。
本书是根据北京大学信息科学技术学院新开设的“高级光电子技术实验”课程,所编写的配套教材。该课程围绕近几十年发展起来的一些量子技术,以相关诺贝尔奖的工作为蓝本,设计搭建了一系列学生实验平台,构成面向高年级本科生和低年级研究生的专业实验课,帮助他们进行专业方向选择和实验技能训练。全书分原理篇和实验篇两部分。原理篇详细介绍了半导体激光器、激光光谱及其稳频、激光冷却、飞秒光梳和精密测量等原理和技术。实验篇就是围绕这些技术设计了一系列相关实验,目前共有八个实验,分连续光和脉冲光两条线开展,具体来说:前五个实验是基于连续激光,第一个和第二个实验是进行外腔半导体激光器的组装与特性测量,第三个和第四个实验,是搭建饱和吸收光谱然后进行激光稳频,第五个实验是磁光阱实验,属于连续光这条线的综合实验;后三个实验基于脉冲激光,第六个和第七个实验,是搭建锁模激光器,然后进行放大、扩谱等,第八个实验是利用飞秒光梳进行铷原子跃迁谱线的频率测量,属于连续光和脉冲光的大综合实验。当然,该课程开设时间尚短,实验内容还在不断扩充完备,后续会不断加入新的实验,比如量子纠缠、原子钟等。
本书内容丰富,紧跟时代潮流,包含激光、电路、机械、原子物理和量子力学等多学科的知识,通过各个实验,把这些知识有机整合在一起,原理介绍和实验设计深入浅出,内容设置注重理论与实践相结合,非常适合锻炼学生的实验动手能力和逻辑思维能力;同时,学生在重复当年的诺贝尔奖工作的过程中,能够切实感受到前辈先贤们那些精妙绝伦的技术创新,有助于提高他们的科研热情。