英国萨里大学萨里大学电气与电子工程系先进技术研究所，和德国卡尔斯鲁厄理工学院控制系统研究所的研究人员合作，在最近的《量子电子学》杂志上发表的一项全面而详细的研究中，对围绕激光原理和激光光谱的60多年的正统观念提出质疑，即光谱线宽是控制和测量光波长的基础。

这一最新开创性研究可能会改变科学家理解和描述激光的方式，从而在经典物理学和量子物理学之间建立新的桥梁关系。

在这项新研究中，研究人员发现，激光的基本原理，即光的放大可以补偿激光的损耗，只是一个近似。该研究团队量化并解释说，微小的过量损耗，即由放大的光而不是激光器内部的正常发光来平衡，为激光器的光谱线宽提供了答案。这些损耗机制之一是激光的光耦合，广泛应用于如汽车制造、电信、激光手术、全球定位系统GPS等的激光束。

光谱相干程度表征了光的光谱纯度。它可以在时域中等效地由衰减时间、或发光振荡器的品质因数、相干时间、或长度表示发射光的线宽Δν，或者通过对频域通过傅里叶变换。该论文研究了其谱线形状、模式轮廓和分布，并验证了所有模式轮廓的总和是否生成了相应的分布。

该研究的发现对量子光学图像提出了质疑，量子光学图像首先提出，受激发射是同相发生的，而自发发射是相对于入射场以任意相位角发生的；其次，激光线宽是由振幅和相位引起的自发发射引起的波动。研究指出，激光线宽的一阶推导完全是半经典的，包括四个近似值：（i）它是真正的连续波激光器；（ii）它是理想的四能级激光器，（iii）它的谐振器没有固有损耗，iv）每个光子在谐振器的每个光子衰减时间内都自发地耦合到激射模式，与泵浦速率无关。

论文在讨论现有的激光线宽半经典描述和量子光学描述的不一致之处之后，介绍了光谱相干因子，该光谱相干因子量化了有源与其下层无源模式下的光谱相干，并基于增益的原理是延长光子衰变时间并缩小线宽，即单激光模式的基本线宽。该线宽对于具有任意能级系统，在阈值以下、处于或之上以及在瞬态激光状态下运行的激光器有效，其增益与损耗相比更小、相等或更大。论文验证了在基于量子光学方法的激光线宽上，基于密度算子主方程，增益小于损耗。

这就提出了两个重要的问题，显然需要回答这些问题才能在激光模式下建立光谱相干的完整图像。首先，存在量子波动，那么它们如何精确地影响基本激光线宽？人们可能会推测它们导致基本激光线宽的扩大。其次，在接近阈值的情况下，由量子力学得出的激光线宽减小的物理解释是什么？该论文获得了第二个问题的半经典答案，并在论文的第二部分进行了讨论。有趣的是，它与第一个问题没有联系，第一个问题的答案似乎涉及更多。

萨里大学光学教授马库斯·波尔瑙（Markus Pollnau）解释说：“自1960年发明激光以来，激光光谱线宽已被全世界教科书和大学教学中描述为激光的自然产物，因为其量子物理解释甚至对于学校讲师来讲也提出了非凡的挑战。”

波尔瑙教授表示：“正如我们在这项研究中所解释的那样，有一个简单易懂的激光光谱线宽推导，而基础的经典物理学证明：量子物理学试图解释激光光谱线宽的尝试是毫无希望的。这一研究结果将对量子物理学的影响具有根本的意义。”

参考：Spectral coherence, Part I: Passive-resonator linewidth, fundamental laser linewidth, and Schawlow-Townes approximation, Progress in Quantum Electronics (2020). DOI: 10.1016/j.pquantelec.2020.100255