突破极限：重新想象激光
来源：公众号「原理」（ID：principia1687）
作者：小雨
2018年，诺贝尔物理学奖授予了光镊和啁啾脉冲放大的发明；
2017年，诺贝尔物理学奖授予了引力波的直接探测；
2014年，诺贝尔化学奖授予了超分辨率荧光显微镜的研制；
……
在1958-2018年间，有十几项诺贝尔奖的背后，都离不开一个关键词：激光。
1960年5月16日，西奥多·梅曼（Theodore Maiman）在实验室中首次展示了红宝石激光器，创造出了第一个人造相干光源。同年8月，他将成果发表在《自然》杂志上。在题为《红宝石中的受激光辐射》的文章中，仅包含了两张简单的图和不到300的字数。梅曼的实验是建立在阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查尔斯·汤斯（Charles Townes）的理论基础上，而他们的理论则是受到了阿尔伯特·爱因斯坦关于受激光发射的理论工作的启发。
今天，激光的应用已经几乎融入在了我们生活中的方方面面：它可以矫正人类的视力、读取货品上的条形码、蚀刻电脑芯片、传输来自月球的视频文件、帮助驾驶自动驾驶汽车……然而，即便已经过去60年，这种光源仍在为科学提供的想象空间。来自两个物理学团队的研究，为激光的重新设计带来了新的可能。
相干性，是激光的一个重要性质。相干性也可理解为光子的“同步性”，这种同步性持续的时间越长，光的单色性就越强。而光的颜色与光子的波长相对应，例如，绿光的波长大约在500~550纳米之间。若要让多个光子长时间维持同步，它们的波长必须非常精确地排列。
激光束中所含有的大量以相同相位运动的光子的波长，决定了激光的颜色。| 图片来源：Peng Jiajie / Wikimedia Commons
激光的相干性，决定了激光束在执行各种精密任务时的能力。例如世界上最精确的计时设备光学晶格钟，就是依赖了激光的这一特性才得以存在。1958年，肖洛和汤斯提出了激光理论，对一个理想激光器的相干时间进行了预计。他们计算了激光相干性的上限，认为光子的激光相干性受限于盒子内的光子数量的平方。这个极限被物理学家称为肖洛-汤斯极限。
一直以来，物理学家都将这个极限视为激光物理学中的一条“金科玉律”，直到两项新研究的出现。
在这两项研究中，其中一篇是由澳大利亚格里菲斯大学的物理学家Howard Wiseman所领导的团队所完成的。另一篇论文是由匹兹堡大学的物理学家David Pekker所领导的团队发表的。他们分别用不同的方法表明，肖洛-汤斯极限并非终极极限，激光的相干性可能比肖洛和汤斯所认为的要高得多。这样的结果颠覆了这一持续了60年的对激光极限的认知。
这两个团队都意识到，肖洛-汤斯极限是建立在一些关于激光的假设之上，而这些假设已经不再正确。在肖洛和汤斯的认知里，从激光中流出的光子，就像从水桶上的洞中流出的水流一样，桶越满，水流得越快，反之亦然。但是Wiseman和Pekker都发现，如果在激光器上放置一个“阀门”来控制光子流动的速率，实际上是可以使激光器的相干时间比肖洛-汤斯极限长得多。
Wiseman和他的同事将论文发表在了《自然-物理》杂志上。在他们的研究中，他们将这些能控制光子的“阀门”纳入考量，然后重新估算了理想激光器的相干时间极限，推导出相干性的上限正比于激光中光子数量的四次方，并最终证明了他们所得的极限是终极量子极限，或者说是海森堡极限，是量子力学所能允许的最好结果。
Pekker的论文目前仍在评审中。他与同事采用了一个略微不同的方法来研究这一极限。经过计算，他们得出相干性的上限正比于激光中的光子数量的三次方。现在，他们正在计划利用超导装置来建造这样一种微波激光。
不过，建造这样的激光器在目前来说显然是一项非常困难的任务。有物理学家指出，Wiseman和Pekker的突破更多的是一种理论上的进步，而非实际工程上的。但Pekker认为，在实际操作中，建造“海森堡极限”激光器绝非是一个遥不可及的梦想，他们已经拥有了建造这样一个设备所需的工具和知识。或许经过数年的努力，激光领域就会出现新的惊喜。
值得一提的是，这Wiseman和Pekker所提出的这两种关于激光器的新设计，不仅有望掀起一场关于激光器的设计和性能的革命，还将带来对于“激光是什么”这一根本性问题的重新思考。这是因为，新提出的激光器不需要通过所谓的受激辐射发光。从这一点来看，激光的概念已经超越了它的名字，未来，它将不再仅仅是“通过受激辐射而放大发出的光”。
附录：激光简史
#创作团队：
文字：小雨
设计：岳岳
#参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41567-020-01049-3?proof=t
https://arxiv.org/abs/2009.03333