2018年，諾貝爾物理學(xué)獎授予了光鑷和啁啾脈沖放大的發(fā)明；

2017年，諾貝爾物理學(xué)獎授予了引力波的直接探測；

2014年，諾貝爾化學(xué)獎授予了超分辨率熒光顯微鏡的研制；

……

在1958-2018年間，有十幾項諾貝爾獎的背后，都離不開一個關(guān)鍵詞：激光。

1960年5月16日，西奧多·梅曼（Theodore Maiman）在實驗室中首次展示了紅寶石激光器，創(chuàng)造出了第一個人造相干光源。同年8月，他將成果發(fā)表在《自然》雜志上。在題為《紅寶石中的受激光輻射》的文章中，僅包含了兩張簡單的圖和不到300的字?jǐn)?shù)。梅曼的實驗是建立在阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查爾斯·湯斯（Charles Townes）的理論基礎(chǔ)上，而他們的理論則是受到了阿爾伯特·愛因斯坦關(guān)于受激光發(fā)射的理論工作的啟發(fā)。

今天，激光的應(yīng)用已經(jīng)幾乎融入在了我們生活中的方方面面：它可以矯正人類的視力、讀取貨品上的條形碼、蝕刻電腦芯片、傳輸來自月球的視頻文件、幫助駕駛自動駕駛汽車……然而，即便已經(jīng)過去60年，這種光源仍在為科學(xué)提供的想象空間。來自兩個物理學(xué)團(tuán)隊的研究，為激光的重新設(shè)計帶來了新的可能。

相干性，是激光的一個重要性質(zhì)。相干性也可理解為光子的“同步性”，這種同步性持續(xù)的時間越長，光的單色性就越強(qiáng)。而光的顏色與光子的波長相對應(yīng)，例如，綠光的波長大約在500~550納米之間。若要讓多個光子長時間維持同步，它們的波長必須非常精確地排列。

激光束中所含有的大量以相同相位運動的光子的波長，決定了激光的顏色。| 圖片來源：Peng Jiajie / Wikimedia Commons

激光的相干性，決定了激光束在執(zhí)行各種精密任務(wù)時的能力。例如世界上最精確的計時設(shè)備光學(xué)晶格鐘，就是依賴了激光的這一特性才得以存在。1958年，肖洛和湯斯提出了激光理論，對一個理想激光器的相干時間進(jìn)行了預(yù)計。他們計算了激光相干性的上限，認(rèn)為光子的激光相干性受限于盒子內(nèi)的光子數(shù)量的平方。這個極限被物理學(xué)家稱為肖洛-湯斯極限。

一直以來，物理學(xué)家都將這個極限視為激光物理學(xué)中的一條“金科玉律”，直到兩項新研究的出現(xiàn)。

在這兩項研究中，其中一篇是由澳大利亞格里菲斯大學(xué)的物理學(xué)家Howard Wiseman所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊所完成的。另一篇論文是由匹茲堡大學(xué)的物理學(xué)家David Pekker所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊發(fā)表的。他們分別用不同的方法表明，肖洛-湯斯極限并非終極極限，激光的相干性可能比肖洛和湯斯所認(rèn)為的要高得多。這樣的結(jié)果顛覆了這一持續(xù)了60年的對激光極限的認(rèn)知。

這兩個團(tuán)隊都意識到，肖洛-湯斯極限是建立在一些關(guān)于激光的假設(shè)之上，而這些假設(shè)已經(jīng)不再正確。在肖洛和湯斯的認(rèn)知里，從激光中流出的光子，就像從水桶上的洞中流出的水流一樣，桶越滿，水流得越快，反之亦然。但是Wiseman和Pekker都發(fā)現(xiàn)，如果在激光器上放置一個“閥門”來控制光子流動的速率，實際上是可以使激光器的相干時間比肖洛-湯斯極限長得多。

Wiseman和他的同事將論文發(fā)表在了《自然-物理》雜志上。在他們的研究中，他們將這些能控制光子的“閥門”納入考量，然后重新估算了理想激光器的相干時間極限，推導(dǎo)出相干性的上限正比于激光中光子數(shù)量的四次方，并最終證明了他們所得的極限是終極量子極限，或者說是海森堡極限，是量子力學(xué)所能允許的最好結(jié)果。

Pekker的論文目前仍在評審中。他與同事采用了一個略微不同的方法來研究這一極限。經(jīng)過計算，他們得出相干性的上限正比于激光中的光子數(shù)量的三次方。現(xiàn)在，他們正在計劃利用超導(dǎo)裝置來建造這樣一種微波激光。

不過，建造這樣的激光器在目前來說顯然是一項非常困難的任務(wù)。有物理學(xué)家指出，Wiseman和Pekker的突破更多的是一種理論上的進(jìn)步，而非實際工程上的。但Pekker認(rèn)為，在實際操作中，建造“海森堡極限”激光器絕非是一個遙不可及的夢想，他們已經(jīng)擁有了建造這樣一個設(shè)備所需的工具和知識?；蛟S經(jīng)過數(shù)年的努力，激光領(lǐng)域就會出現(xiàn)新的驚喜。

值得一提的是，這Wiseman和Pekker所提出的這兩種關(guān)于激光器的新設(shè)計，不僅有望掀起一場關(guān)于激光器的設(shè)計和性能的革命，還將帶來對于“激光是什么”這一根本性問題的重新思考。這是因為，新提出的激光器不需要通過所謂的受激輻射發(fā)光。從這一點來看，激光的概念已經(jīng)超越了它的名字，未來，它將不再僅僅是“通過受激輻射而放大發(fā)出的光”。

原文標(biāo)題：突破極限：重新想象激光

文章出處：【微信公眾號：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq