相干性辅助的赫兹线宽与$10^{-10}$W功率超辐射激光

基于费米子碱土（类碱土）原子电基态$^1$S$_0$与亚稳态$^3$P$_0$之间钟跃迁的超辐射激光，被提出作为一种线宽达毫赫兹量级的新型有前景光源。然而，由于$^1$S$_0$-to-$^3$P$_0$跃迁强度小，该系统的稳态功率相对较低（$\sim 10^{-12}$W）。本工作中，我们提出一种替代性超辐射激光方案，基于玻色子碱土（类碱土）原子中$^3$P$_0$与$^3$P$_1$态之间拉曼跃迁诱导的耦合，并以较小泵浦代价实现了线宽$\lesssim 2\pi\times1$Hz、功率$\gtrsim 10^{-10}$W（稳态约$10^{3}$个光子）的激光。拉曼光束在我们的方案中起两个重要作用：首先，拉曼光束诱导的暗态与亮态间相干性在泵浦率低于$2\pi \times 10$kHz的泵浦-线宽曲线中产生新的局部极小值，有利于连续输出；其次，拉曼光束将长寿命的$^3$P$_0$态混入激光态从而减小线宽。我们的工作极大提升了由拉曼跃迁诱导相干性的超辐射激光系统的输出性能，并可能为其未来实际应用奠定坚实基础。