我們許多人都知道，激光的理論基礎起源于愛因斯坦，1916年他首先描述了原子的受激輻射與自發輻射的關系，提出了一套全新的技術理論‘光與物質相互作用’，指出在組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象，即“受激輻射的光放大”，簡稱激光。

激光譜線寬，英語：laser spectral linewidth，指一個激光束的譜線寬。激光發射的兩個最獨特的特征是空間相干性和光譜相干性。雖然空間相干性與激光器的光束發散有關，但光譜相干性是通過測量激光輻射的線寬來評估的。

譜線，英語：spectral line，指在均勻且連續的光譜上明亮或黑暗的線條，起因于光子在一個狹窄的頻率范圍內比附近的其他頻率超過或缺乏。

譜線通常被認為是量子系統，即通常是原子、但有時會是分子或原子核，和單一光子相互作用產生的。當光子的能量確實與系統內能級上的一個變化符合時（在原子的情況，通常是電子改變軌道），光子被吸收。然后，它將再自發地發射，可能是與原來相同的頻率或是階段式的，但光子發射的總能量將會與當初吸收的能量相同，而新光子的方向不會與原來的光子方向有任何關聯。

英國薩里大學薩里大學電氣與電子工程系先進技術研究所，和德國卡爾斯魯厄理工學院控制系統研究所的研究人員合作，在最近的《量子電子學》雜志上發表的一項全面而詳細的研究中，對圍繞激光原理和激光光譜的60多年的正統觀念提出質疑，即光譜線寬是控制和測量光波長的基礎。

這一最新開創性研究可能會改變科學家理解和描述激光的方式，從而在經典物理學和量子物理學之間建立新的橋梁關系。

在這項新研究中，研究人員發現，激光的基本原理，即光的放大可以補償激光的損耗，只是一個近似。該研究團隊量化并解釋說，微小的過量損耗，即由放大的光而不是激光器內部的正常發光來平衡，為激光器的光譜線寬提供了答案。這些損耗機制之一是激光的光耦合，廣泛應用于如汽車制造、電信、激光手術、全球定位系統GPS等的激光束。

光譜相干程度表征了光的光譜純度。它可以在時域中等效地由衰減時間、或發光振蕩器的品質因數、相干時間、或長度表示發射光的線寬Δν，或者通過對頻域通過傅里葉變換。該論文研究了其譜線形狀、模式輪廓和分布，并驗證了所有模式輪廓的總和是否生成了相應的分布。

該研究的發現對量子光學圖像提出了質疑，量子光學圖像首先提出，受激發射是同相發生的，而自發發射是相對于入射場以任意相位角發生的；其次，激光線寬是由振幅和相位引起的自發發射引起的波動。研究指出，激光線寬的一階推導完全是半經典的，包括四個近似值：（i）它是真正的連續波激光器；（ii）它是理想的四能級激光器，（iii）它的諧振器沒有固有損耗，iv）每個光子在諧振器的每個光子衰減時間內都自發地耦合到激射模式，與泵浦速率無關。

論文在討論現有的激光線寬半經典描述和量子光學描述的不一致之處之后，介紹了光譜相干因子，該光譜相干因子量化了有源與其下層無源模式下的光譜相干，并基于增益的原理是延長光子衰變時間并縮小線寬，即單激光模式的基本線寬。該線寬對于具有任意能級系統，在閾值以下、處于或之上以及在瞬態激光狀態下運行的激光器有效，其增益與損耗相比更小、相等或更大。論文驗證了在基于量子光學方法的激光線寬上，基于密度算子主方程，增益小于損耗。

這就提出了兩個重要的問題，顯然需要回答這些問題才能在激光模式下建立光譜相干的完整圖像。首先，存在量子波動，那么它們如何精確地影響基本激光線寬？人們可能會推測它們導致基本激光線寬的擴大。其次，在接近閾值的情況下，由量子力學得出的激光線寬減小的物理解釋是什么？該論文獲得了第二個問題的半經典答案，并在論文的第二部分進行了討論。有趣的是，它與第一個問題沒有聯系，第一個問題的答案似乎涉及更多。

薩里大學光學教授馬庫斯·波爾瑙（Markus Pollnau）解釋說：“自1960年發明激光以來，激光光譜線寬已被全世界教科書和大學教學中描述為激光的自然產物，因為其量子物理解釋甚至對于學校講師來講也提出了非凡的挑戰?！?/p>

波爾瑙教授表示：“正如我們在這項研究中所解釋的那樣，有一個簡單易懂的激光光譜線寬推導，而基礎的經典物理學證明：量子物理學試圖解釋激光光譜線寬的嘗試是毫無希望的。這一研究結果將對量子物理學的影響具有根本的意義。”

參考：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