君子精神——北京大学铯磁光阱诞生记

                                              陈徐宗

    上世纪八十年代，国际上激光冷却研究正处于上升期，而我国在这方面的研究相对滞后，除了中科院上海光机所开展激光冷却实验研究之外，国内没有其他研究单位开展此项工作。北京大学量子电子研究所在王义遒教授的带领下，曾开展过一些激光冷却的理论研究，但实验研究限于条件尚未进行。

    1993年，国家自然科学基金委开始重视激光冷却研究，邀请中科院上海光机所的王育竹研究员担任首席科学家，领导国家自然科学基金重大项目《原子光学与时间基准的研究》，该项目设立三个课题：（1）激光操纵原子和原子干涉仪的物理现象及实验技术研究；（2）基于原子喷泉钟的新型铯原子频标研究；（3）高性能铯原子时间基准研究。北京大学承担第二课题研究，王义遒教授为负责人。幸运的是，这个国家级项目的负责人王育竹院士是我的博士生导师，我参加的第二课题负责人王义遒教授是我的博士后合作导师。

    为了完成国家任务，北京大学成立了以王义遒教授为负责人的激光冷却研究小组，研究小组有两位老师：王义遒教授和杨东海教授。为了快速开展研究，研究小组招收博士后和研究生，我就很幸运地成为了该研究小组的博士后。1993年7月我从中科院上海光机所王育竹老师研究组获得博士学位（应该说是中国激光冷却实验的第一个博士学位，我的论文题目是：激光的辐射压力及激光冷却和捕陷原子），加入到王义遒教授的新的研究组，成为了全国激光冷却实验方面的第一个博士后。那时进研究组的还有两名博士生：李义民、甘建华，一名硕士生：姚继良，他们都是北大与清华的高材生（李义民与甘建华本科毕业于北大无线电系，因为成绩优秀，保送进无线电系量子电子研究所读直博，姚继良毕业于清华大学无线电系，成绩优秀，保送进北京大学读硕士）。然而，当时北大的研究条件十分艰苦，一切从零开始：一个50平米由办公室改建的实验室，连地都是不平的，更没有任何仪器设备。进入北大后，第一件事就是和同学们将已经到货的光学平台搬进实验室，这事得到了无线电系实验员刘少成老师大力帮助。运进了光学平台后，就开始购买电子元器件与光学元器件，开始搭建实验。当时实验室连一台示波器都没有，我就从汤骏雄老师那里借了一台。虽然当时的物质条件很差，但是心里很温暖，因为得到了王义遒等许多老师的关心与支持，就连已经退休的郑乐民先生也非常关心我们的实验进展，除了指导我写博士后基金申请之外（我很幸运得到了博士后站第一批基金的支持），还主动将他认识的老师介绍给我，中国计量科学院的沈乃澄研究员就是其中的一位，我从他那里学到很多关于激光稳频的知识；另外，病重中的王庆吉老师身在病床，但心里还时刻牵挂着实验室；时任教研室主任的董太乾老师也经常关心我们的实验进展。

    要建立原子喷泉实验装置，首先要有磁光阱。为此，王义遒老师决定先研制磁光阱。为了使研究小组有效地工作，研究小组在王义遒老师的领导下，建立了组会制度，每周开一次组会，参加组会的主要有：王义遒老师、杨东海老师、李义民、甘建华、姚继良与我。每次组会的内容有：汇报每周进展、激光冷却的理论学习与讨论、半导体激光稳频技术讨论、实验技术的讨论等。王义遒老师当时正担任北京大学常务副校长兼教务长，要领导八个部门的工作，日常工作十分繁忙，但是他还是坚持参加每周的组会，并指导我们实验摊子的搭建。杨东海老师主要指导我们制作外腔半导体激光器，包括激光头的机械设计与激光电源电路的设计与制作。刚开始，我们对半导体激光器的电路、机械结构、饱和吸收光路都不熟悉，在杨东海教授的指导下，我们同时开始了外腔半导体激光器的机械设计与激光电源的研制。我按照杨老师的指导，开始画激光头的机械图，用的还是AutoCad第一版。在此同时，我们在杨东海教授的指导下画恒流源与控温器的电路图，制作电路版、焊接、调试，很快我们就做出了第一代半导体激光电源。因为李义民与甘建华都是当时北京大学无线电系的高材生，他们对电路的理解非常深刻，对各种常用元器件的性能十分熟悉，使用protel软件画电路原理图与印刷电路图十分娴熟，我作为物理专业的博士后，电路是我的“短板”，为此我虚心向他们学习，电路进步较快。当时制作的半导体激光驱动器只有恒流源与控温器，没有模拟稳频电路，在王义遒老师、杨东海老师的指导下，我参考了当时光通信研究组谢麟振教授指导的研究生论文，设计了我平生第一个 “电路”——半导体激光稳频电路，制版焊接调试后还居然能用，但是锁定的时间不长，有时半小时，有时几小时就失锁（后来才知道是没有 PI电路的缘故），在做实验时需要利用眼睛监视饱和吸收光谱的误差信号电压值，改变偏置电压，也能锁上七、八小时，基本能够满足实验需求。王义遒老师看到后很高兴，指导我什么是捕捉带，什么是同步带，让我豁然开朗——明白了书上所说技术术语的实际含义。

    搭建磁光阱中有许多技术需要解决，除了真空技术、稳频技术之外，还有激光放大技术、激光移频技术、磁光阱激光准直技术、荧光探测技术等。这些技术对我们来说都是新的挑战。如何发展这些技术，不同的人有不同的看法，在讨论中，每个人都认为自己的方案很合理，这样就很难在技术方案上达成一致，但是作为一个团队，需要有一个统一的思想，协同作战，才能将这些技术“有机合成”，最后完成一个能产生微开温度（10^-6开尔文）冷原子的装置——磁光阱。为了统一大家的思想，使得这个年轻的团队团结一致，王义遒老师在组会上讲了孔子对他的弟子子路说的一段话：“君子和而不同，小人同而不和”，他解释说“古代君子指的是有思想、有抱负的知识分子群体，他们各有自己不同的思想或一技之长，但他们能够互相理解，相互团结，办成大事。一个团队，需要发扬这种“君子精神”，大家“和谐”共事，才能完成一件大事。大家觉得他讲的很有道理，经过充分讨论，很快达成了共识。这种例子还有很多，这也是我在北大做学问的最大收获——在做学问之前要先学做人。王义遒老师平时对人的谦和以及对物理及社会认识的深刻使我深感自己的不足，他对人生的淡定以及对物理的热爱成为我永远学习的榜样。

    在搭建磁光阱过程中，除了稳频激光技术之外，半导体激光放大技术也是非常重要的。由于我们购买的F-P腔型半导体激光管，功率在50毫瓦左右，经分光后功率不够提供冷却原子，为此需要放大。那时还没有852nm波段的半导体激光行波放大管，只能购买大功率的多纵模激光管(500mW），利用注入锁定的方法进行功率放大。但是这种技术在我们实验室是新技术。我们在王义遒老师与杨东海老师的指导下，查阅资料，学习Siegman《Laser》专著中激光注入锁定的理论，开始了模式锁定的实验。按照过去的理论，被锁激光器的自由运行的激光波长与主激光器的激光波长差应该在两个激光器的同步带之内才能锁定。然而，被锁的高功率激光管在室温的工作波长往往与所需的852nm波长相差5nm之多，需要降低温度20-40度才能满足要求，这大大增加了实验难度。然而，我们在改变被动激光器的温度，搜索注入锁定被动激光器的锁定频率的时候，发现在不同的温度条件下，可以得到多个锁定点，这种现象是过去理论上没有给出的一个新现象。王老师知道我们这个发现后很高兴，他积极鼓励我们认真分析，找出其新的机制。通过实验数据分析，我们很快就发现：当主激光器的激光注入到被动激光管中，被动激光的谐振模式就很快被主激光模式所控制，在所有的温度范围之内，都会有两个激光锁定的区域，这就是我们后来发展的“大频差注入锁定”理论的根据。利用这种发现，我们发展了“大频差注入锁定”的技术，既在室温条件下，通过改变激光电流或微调激光管温度，实现852nm波长激光注入锁定。这种方法可以推广到780nm 等其他波长的激光注入锁定。这样我们就顺利得到了激光线宽窄、频率长期稳定、功率大于300nm的稳定激光输出，满足了磁光阱所需的光源条件。后来我们将此工作发表在《 Optics mmunications》上。

    在激光器、光学系统都准备好后，我们就开始做磁光阱实验。那时王义遒老师白天工作很忙，每天晚上都过来过问实验，听说我们已经观察到铯原子荧光，将要开始做磁光阱实验（利用激光冷却实验方法获得微开温度的冷原子），他就整个晚上参与我们的实验。实验主要由李义民、甘建华与我三人负责，王义遒老师在旁边指挥。其中李义民负责磁光阱的六束激光的对准与调节，甘建华负责激光注入锁定与声光移频控制，我主要负责激光稳频以及总体实验安排。第一天，我们准备激光系统与真空，晚上开始做实验，王老师亲自参加，但是做到了半夜2点钟还是没有看到冷原子的信号，我们只能作罢。第二天还是没有看到，但是看到了一个奇怪的现象：在磁光阱的中央，本来应该出现冷原子荧光的亮点的地方出现了一个黑点。第三天晚上，王老师与我们就与我们一起分析出现黑点的原因，并建议我们继续改变磁场线圈的电流，在我们不断改变磁场的电流以及激光失谐量的条件下，突然看到了一个亮点，经过仔细调节，亮点不断增大，成了标准的磁光阱冷原子云。我们终于在1996年4月16日晚上10:30利用磁光阱成功获地获得了冷原子——也是中国第一个铯磁光阱（文汇报等报道了这一消息）。这是研究组研究工作的阶段性胜利，也是“君子精神”的胜利。

    回想跟随王义遒先生做博士后到出站后留校工作已近20年，在他的指导关心下，我先后在激光冷却、玻色-爱因斯坦凝聚、光抽运铯原子钟、飞秒激光光梳等基础研究与技术研究等领域从事研究，经常与先生讨论相关的学术问题，得到先生的淳淳教诲，先生博大的胸怀、精深的学识与珣丽的文采使我受益无穷。今正逢先生八十华诞，特写此文献于先生，祝先生身体健康，青春永驻！

                                (作者系北京大学信息科学技术学院教授，量子电子研究所所长)