江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

激光|突破极限：重新想象激光

激光光子激光器西奥多·梅曼howard wisem

激光|突破极限：重新想象激光
文章插图

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 。
【激光|突破极限：重新想象激光】激光|突破极限：重新想象激光
文章插图

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|突破极限：重新想象激光
文章插图

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
激光|突破极限：重新想象激光
文章插图

#创作团队：
文字：小雨
设计：岳岳
#参考来源：
https://arxiv.org/abs/2009.03333


    推荐阅读


    上一篇：星舰|无视联邦航管局禁令，星舰“神龙摆尾”失败，巨大火球点亮夜空

    下一篇：仪器|俄科学家：俄仪器曾因要求严格未能用于中国探月计划