英國(guó)薩里大學(xué)薩里大學(xué)電氣與電子工程系先進(jìn)技術(shù)研究所，和德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院控制系統(tǒng)研究所的研究人員合作，在最近的《量子電子學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)全面而詳細(xì)的研究中，對(duì)圍繞激光原理和激光光譜的60多年的正統(tǒng)觀念提出質(zhì)疑，即光譜線寬是控制和測(cè)量光波長(zhǎng)的基礎(chǔ)。

這一最新開(kāi)創(chuàng)性研究可能會(huì)改變科學(xué)家理解和描述激光的方式，從而在經(jīng)典物理學(xué)和量子物理學(xué)之間建立新的橋梁關(guān)系。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，激光的基本原理，即光的放大可以補(bǔ)償激光的損耗，只是一個(gè)近似。該研究團(tuán)隊(duì)量化并解釋說(shuō)，微小的過(guò)量損耗，即由放大的光而不是激光器內(nèi)部的正常發(fā)光來(lái)平衡，為激光器的光譜線寬提供了答案。這些損耗機(jī)制之一是激光的光耦合，廣泛應(yīng)用于如汽車(chē)制造、電信、激光手術(shù)、全球定位系統(tǒng)GPS等的激光束。

光譜相干程度表征了光的光譜純度。它可以在時(shí)域中等效地由衰減時(shí)間、或發(fā)光振蕩器的品質(zhì)因數(shù)、相干時(shí)間、或長(zhǎng)度表示發(fā)射光的線寬Δν，或者通過(guò)對(duì)頻域通過(guò)傅里葉變換。該論文研究了其譜線形狀、模式輪廓和分布，并驗(yàn)證了所有模式輪廓的總和是否生成了相應(yīng)的分布。

該研究的發(fā)現(xiàn)對(duì)量子光學(xué)圖像提出了質(zhì)疑，量子光學(xué)圖像首先提出，受激發(fā)射是同相發(fā)生的，而自發(fā)發(fā)射是相對(duì)于入射場(chǎng)以任意相位角發(fā)生的；其次，激光線寬是由振幅和相位引起的自發(fā)發(fā)射引起的波動(dòng)。研究指出，激光線寬的一階推導(dǎo)完全是半經(jīng)典的，包括四個(gè)近似值：（i）它是真正的連續(xù)波激光器；（ii）它是理想的四能級(jí)激光器，（iii）它的諧振器沒(méi)有固有損耗，iv）每個(gè)光子在諧振器的每個(gè)光子衰減時(shí)間內(nèi)都自發(fā)地耦合到激射模式，與泵浦速率無(wú)關(guān)。

論文在討論現(xiàn)有的激光線寬半經(jīng)典描述和量子光學(xué)描述的不一致之處之后，介紹了光譜相干因子，該光譜相干因子量化了有源與其下層無(wú)源模式下的光譜相干，并基于增益的原理是延長(zhǎng)光子衰變時(shí)間并縮小線寬，即單激光模式的基本線寬。該線寬對(duì)于具有任意能級(jí)系統(tǒng)，在閾值以下、處于或之上以及在瞬態(tài)激光狀態(tài)下運(yùn)行的激光器有效，其增益與損耗相比更小、相等或更大。論文驗(yàn)證了在基于量子光學(xué)方法的激光線寬上，基于密度算子主方程，增益小于損耗。

這就提出了兩個(gè)重要的問(wèn)題，顯然需要回答這些問(wèn)題才能在激光模式下建立光譜相干的完整圖像。首先，存在量子波動(dòng)，那么它們?nèi)绾尉�確地影響基本激光線寬？人們可能會(huì)推測(cè)它們導(dǎo)致基本激光線寬的擴(kuò)大。其次，在接近閾值的情況下，由量子力學(xué)得出的激光線寬減小的物理解釋是什么？該論文獲得了第二個(gè)問(wèn)題的半經(jīng)典答案，并在論文的第二部分進(jìn)行了討論。有趣的是，它與第一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有聯(lián)系，第一個(gè)問(wèn)題的答案似乎涉及更多。

薩里大學(xué)光學(xué)教授馬庫(kù)斯·波爾瑙（Markus Pollnau）解釋說(shuō)：“自1960年發(fā)明激光以來(lái)，激光光譜線寬已被全世界教科書(shū)和大學(xué)教學(xué)中描述為激光的自然產(chǎn)物，因?yàn)槠淞孔游锢斫忉屔踔翆?duì)于學(xué)校講師來(lái)講也提出了非凡的挑戰(zhàn)。”

波爾瑙教授表示：“正如我們?cè)谶@項(xiàng)研究中所解釋的那樣，有一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的激光光譜線寬推導(dǎo)，而基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)證明：量子物理學(xué)試圖解釋激光光譜線寬的嘗試是毫無(wú)希望的。這一研究結(jié)果將對(duì)量子物理學(xué)的影響具有根本的意義。”

參考：Spectral coherence, Part I: Passive-resonator linewidth, fundamental laser linewidth, and Schawlow-Townes approximation, Progress in Quantum Electronics (2020). DOI: 10.1016/j.pquantelec.2020.100255