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上世纪50年代 ， 当物理学家们竞相发明第一台激光器时 ， 他们发现量子力学的规则限制了光的颜色的纯度 。 从那时起 ， 物理学家和工程师们在制造激光器时就一直在考虑这些限制条件 。 但是 ， 来自两个独立的物理学家小组的新理论研究表明 ， 自然界比之前认为的更加松散 。 这一发现可能导致改进的、更单色的激光器用于量子计算等应用 ， 研究人员在两个拟议的激光器设计中进行了说明 。
澳大利亚格里菲斯大学（Griffith University）的物理学家霍华德·怀斯曼（Howard Wiseman）说 ， 这项工作“颠覆了人们60年来对激光极限的理解” ， 他的团队去年10月在“自然物理学”上发表了他们的研究成果 。

上图：世界上第一台红宝石激光器
从本质上讲 ， 激光是一种光的扩音器 。 这个词本身 ， 最初是一个缩写词 ， 反映了这一功能：“通过激发辐射来进行光放大” 。发送正确频率的光子 ， 然后激光器复制它 ， 使原始信号倍增 。
这些光子克隆体彼此同步地离开激光器 ， 按照专家的说法“同相”运行 。 你可以这样想：每一个光子都是一个波 ， 它的波峰和波谷与它的相邻光子排成一行 ， 在激光中步调一致地前进 。 这与大多数其他光源形成了对比 ， 比如 ， 你的阅读灯 ， 甚至太阳 ， 它们都是发射随机分散的光子 。
光子同步的时间越长 ， 光的单色性就越强 。 光源的颜色与光子的波长相对应 ， 例如 ， 绿光的波长大约在500到550纳米之间 。 为了让多个光子长时间保持同步 ， 它们的波长必须非常精确地排列 —— 这意味着光子必须尽可能接近一种颜色 。
这种激光光子的同步性 ， 即所谓的时间相干性 ， 是这种装置最有用的特性之一 。 许多技术都利用了激光惊人的快速和稳定的节奏 ， 它的波形在可见光激光器中以每秒数百万亿次的速度重复 。 例如 ， 这种特性支撑着世界上最精确的计时设备 ， 即光学晶格钟 。

上图：世界上最精准的钟 ， 锶原子光晶格钟
【物理学家|物理学家正在“重新”发明激光】但是 ， 光子在离开激光器后会逐渐失去同步；它们在一起的时间被称为激光器的相干时间 。 1958年 ， 物理学家阿瑟·肖洛和查尔斯·汤斯估算了完美激光器的相干时间 。 （这是物理学家的一个常见设计策略：在构建一个真实世界缺乏的设备之前 ， 先考虑最理想的版本 。 ）他们发现了一个被认为可以代表激光最终相干时限的方程 ， 由物理定律设定 。 物理学家称之为“Schawlow-Townes（肖洛-汤斯）”极限 。
然而 ， 新的研究发现“Schawlow-Townes”极限并不是最终极限 。 匹兹堡大学的物理学家大卫·佩克（David Pekker）领导了另一个小组 ， 他说：“原则上 ， 应该可以制造出明显更相干的激光器 。 ”他们的论文目前正在同行评议中 ， 已作为预印本发布在arXiv上 。
两组人都认为“Schawlow-Townes”极限建立在关于激光的假设之上 ， 而这些假设已经不再正确 。 肖洛和汤斯基本上认为激光器是一个空心盒子 ， 光子在盒子里繁殖和离开的速度与盒子内的光量成正比 。 换句话说 ， 光子从肖洛-汤斯的激光器中流出 ， 就像水从桶上的洞中排出一样 。 桶装得越满 ， 水就流得越快 ， 反之亦然 。
但是 ， 怀斯曼和佩克都发现 ， 如果你在激光器上放置一个阀门来控制光子流动的速率 ， 你实际上可以使激光器的相干时间比“Schawlow-Townes”限制长得多 。 怀斯曼的论文更进一步 。 考虑到这些光子控制阀 ， 他的团队重新估计了完美激光器的相干时间限制 。 “我们证明了我们的极限是最终的量子极限 。 ”怀斯曼说 ， 他的意思是由量子力学决定的真正物理极限 。
怀斯曼表示 ， 肖洛和汤斯的估计虽然不是物理学家最初认为的对激光的基本限制 ， 但在当时是合理的 。那时 ， 没有人能够像怀斯曼和佩克所提出的那样 ， 精确地控制激光束中的光流 。但是 ， 今天的激光是另外一回事了 。现在 ， 物理学家可以使用为新兴的量子计算行业开发的多种设备来控制光 。

上图：英国科学家研制出的首台室温微波激射器分页标题#e#
佩克与同样来自匹兹堡大学的物理学家迈克尔·哈特里奇（Michael Htridge）合作 ， 将新的激光设计带入生活 。 哈特里奇的专长是用超导导线构建电路 ， 来存储和控制微波频率的光子 。 他们计划建造一种微波发射激光器（称为微波激射器） ， 用于在由超导电路组成的量子计算机中编写量子位 。 尽管建造这个新的微波激射器可能需要数年的工作和故障排除 ， 但哈特里奇表示 ， 他们拥有使之成为可能的所有工具和知识 。 哈特里奇说：“这就是为什么我们对此感到兴奋 ， 因为这只是另一个工程项目 。 ”
怀斯曼正在寻找合作者来建立他的设计 ， 也是一个微波激射器 。 他表示：“我真的、真的希望这件事能发生 ， 但我也认识到这将是一个长期目标 。 ”
新加坡国立大学的物理学家史蒂芬·图扎德（Steven Touzard）认为 ， 这些设计“完全可行” 。 他并没有参与这些新研究 。但是 ， 图扎德说 ， 怀斯曼和佩克的工作可能不会直接产生有用的商业激光器 。他指出 ， 激光制造商通常不会使用“Schawlow-Townes”限制来指导其设计 。 因此 ， 推翻极限可能是理论上的进步 ， 而不是工程上的进步 。
奇怪的是 ， 这两种新设计也与关于激光的另一种传统观念相矛盾 。这些设备不会通过所谓的受激发射来产生光 ， 受激发射在首字母缩写词激光器中构成了“s”和“e” 。受激发射是光与物质之间的一种相互作用 ， 其中光子撞击原子并“刺激”原子以发射相同的光子 。如果我们像以前那样将激光器想象成盒子里的光 ， 那么使用受激发射来放大光的激光器 ， 会将信号与盒中已经存在的光量成比例地相乘 。根据图扎德的说法 ， 2012年发明的另一种激光器称为“超辐射激光器” ， 它也不使用受激发射来放大光 。

上图：超辐射激光光谱
事实上 ， 激光的概念已经超越了它的名字 。 它不再仅仅是“通过受激辐射的光放大” 。
随着冷战的目标转变为21世纪的目标 ， 激光也有了发展 。 它们已经存在了很长时间 ， 几乎融入了现代生活的方方面面：它们可以矫正人类的视力、读取食品杂货条形码、蚀刻电脑芯片、传输月球上的视频文件、帮助驾驶自动驾驶汽车 ， 还能让人产生迷幻般的狂躁情绪 。 现在 ， 激光又可以被重新发明了 。 一台有60年历史的设备仍然是科幻未来的象征 。
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来源：(知新了了)

【】网址：/a/2021/0203/kd674662.html

标题：物理学家|物理学家正在“重新”发明激光