突破極限:重新想像激光
2021年02月17日11:02

  2018年,諾貝爾物理學獎授予了光鑷和啁啾脈衝放大的發明;

  2017年,諾貝爾物理學獎授予了引力波的直接探測;

  2014年,諾貝爾化學獎授予了超解像度螢光顯微鏡的研製;

  ……

  在1958-2018年間,有十幾項諾貝爾獎的背後,都離不開一個關鍵詞: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,創造出了第一個人造相干光源。同年8月,他將成果發表在《自然》雜誌上。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的字數。梅曼的實驗是建立在阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)和查爾斯·湯斯(Charles Townes)的理論基礎上,而他們的理論則是受到了阿爾伯特·愛因斯坦關於受激光發射的理論工作的啟發。

  今天,激光的應用已經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,即便已經過去60年,這種光源仍在為科學提供的想像空間。來自兩個物理學團隊的研究,為激光的重新設計帶來了新的可能。

  相乾性,是激光的一個重要性質。相乾性也可理解為光子的“同步性”,這種同步性持續的時間越長,光的單色性就越強。而光的顏色與光子的波長相對應,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

  激光的相乾性,決定了激光束在執行各種精密任務時的能力。例如世界上最精確的計時設備光學晶格鍾,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行了預計。他們計算了激光相乾性的上限,認為光子的激光相乾性受限於盒子內的光子數量的平方。這個極限被物理學家稱為肖洛-湯斯極限。

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

  在這兩項研究中,其中一篇是由澳州格里菲斯大學的物理學家Howard Wiseman所領導的團隊所完成的。另一篇論文是由匹茲堡大學的物理學家David Pekker所領導的團隊發表的。他們分別用不同的方法表明,肖洛-湯斯極限並非終亟亟限,激光的相乾性可能比肖洛和湯斯所認為的要高得多。這樣的結果顛覆了這一持續了60年的對激光極限的認知。

  這兩個團隊都意識到,肖洛-湯斯極限是建立在一些關於激光的假設之上,而這些假設已經不再正確。在肖洛和湯斯的認知里,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都發現,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表在了《自然-物理》雜誌上。在他們的研究中,他們將這些能控制光子的“閥門”納入考量,然後重新估算了理想激光器的相干時間極限,推導出相乾性的上限正比於激光中光子數量的四次方,並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,是量子力學所能允許的最好結果。

  Pekker的論文目前仍在評審中。他與同事採用了一個略微不同的方法來研究這一極限。經過計算,他們得出相乾性的上限正比於激光中的光子數量的三次方。現在,他們正在計劃利用超導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。有物理學家指出,Wiseman和Pekker的突破更多的是一種理論上的進步,而非實際工程上的。但Pekker認為,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,他們已經擁有了建造這樣一個設備所需的工具和知識。或許經過數年的努力,激光領域就會出現新的驚喜。

  值得一提的是,這Wiseman和Pekker所提出的這兩種關於激光器的新設計,不僅有望掀起一場關於激光器的設計和性能的革命,還將帶來對於“激光是什麼”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光。從這一點來看,激光的概念已經超越了它的名字,未來,它將不再僅僅是“通過受激輻射而放大發出的光”。

   附錄:激光簡史

  #創作團隊:

  文字:小雨

  設計:嶽嶽

  #參考來源:

  https://www.nature.com/articles/s41567-020-01049-3?proof=t

  https://arxiv.org/abs/2009.03333

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