激光物理先驱Marlan Scully:激光的出现开拓了整个光学领域( 二 )


加拿大的BorisStoicheff等人是推动激光拉曼光谱应用的先驱者 。 Stoicheff去印度时 , 他的光谱图像就留在了拉曼的墙上 。 足以看出 , 激光的出现开拓了整个光学领域(如非线性光学 , 量子光学 , 激光光谱学等)的发展 。 至今 , 光学领域的版图已经如此宏伟 。
杨兰:您能跟我们分享一下激光理论被提出时的故事吗?
MarlanScully:在1905年 , 爱因斯坦以一种全新的方式深刻诠释了统计力学 。 那时麦克斯韦的电磁波动方程仍被广泛认可 , 爱因斯坦和其他人也都还没想到光子的概念 。 从普朗克对热辐射熵研究的方法中得到启发 , 爱因斯坦意识到热力学概念中光的熵是由两部分组成 , 光具有双重特性 , 既有波的特性 , 也有粒子的特性 。 正是通过研究波动和光的统计特性 , 才使爱因斯坦提出了光子的概念 。
直到二十世纪五六十年代 , 人们开始研究高强度激光问题 。 Glauber等人证明描述一个相干辐射源的密度矩阵非常简单 , 即光子的泊松统计分布 , 这就是现在所说的Glauber相干态 。 无线电波是Glauber相干态的一个很好的例子 。
但是激光的辐射密度矩阵该如何表示?在低于阈值的情况 , 爱因斯坦已经从热力学角度给出了解释;而高于阈值时是相干的 , Glauber也给出了解释 。 但在Glauber给出解释之前 , 我们并不清楚 。 在他著名的关于激光辐射的讲座中 , Glauber说道:“要想构建密度算符 , 只能通过分析和求解问题 , 以反推密度算符 。 ”他说在谐振腔的情况下 , 可推算出公式 。 “非线性对于激光场的稳定至关重要 。 因此在这一问题有进展之前 , 不太可能从量子力学的角度解释激光的频率带宽及其输出波动 。 ”这是Glauber1964年讲话中的内容 。
当时 , Lamb将这一问题抛给了我 , 幸好我还没看过Glauber的论述 , 否则我可能会退却 。 那年整个夏天 , 我都在思考这个问题 , 直到Lamb回来后 , 我们才发现激光辐射的密度矩阵的确可以通过分析激光固有的非线性表示出来 。
激光物理先驱Marlan Scully:激光的出现开拓了整个光学领域
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MarlanScully和WillisLamb、MurraySargent合著的教材《LaserPhysics》图片来自谷歌图片
杨兰:激光是您研究的主要方向 , 在众多的研究成果中 , 最喜欢哪个问题、对哪项成果感到最振奋?
MarlanScully:二十世纪六十年代至八十年代中期 , 出现了玻色-爱因斯坦凝聚 。 玻色-爱因斯坦凝聚态是一种弱耦合气体 , 其原子服从玻色统计 。 一位优秀的科学家完成了这一实验 , 随后麻省理工学院的DanielKleppner教授对此作出了总结 , 并成功吸引了一大批人研究这一问题 。
很长一段时间内 , 包括我在内的很多人都觉得这不可能 , 认为得到的只是一团低温气体 。 氦原子成功实现凝聚态的原因在于其存在零点涨落 , 但如果把铷这样的大原子与另一个大原子放在一起 , 它们将发生极化 , 变成一团 。 幸运的是 , 我们错了 , 玻色-爱因斯坦凝聚态确实存在 。 后来 , DanKleppner在PhysicsToday上发表了一篇文章 , 他认为玻色-爱因斯坦凝聚与激光相似 , 是发生在原子之间的协同现象 。 这类物理现象与激光类似 , 因此称其为原子激光 。
随后 , Lamb打电话对我说:“简直太疯狂了 , 你去证明一下这是错误的 。 思路是证明这些弱相互作用的原子并不具有非线性 , 这些原子并不会产生类似光子般的非线性 , 因为光子是通过增益介质相互作用的 。 你要证明这些全都不对!”我当时赞同他的观点 , 于是我开始进行证明 , 这一问题逐渐吸引了我 。 然而 , 几个月后我发现 , 他们的结果竟然是正确的!