激光器线宽的终极量子极限

对于增益介质可被绝热消除的激光器，其线宽的标准量子极限为 $\ell_{0}=\kappa/2\bar{n}$。其中 $\kappa$ 为强度阻尼率，$\bar{n}$ 为平均光子数。该极限包含损耗与增益过程的等量贡献，因此将线宽完全归因于自发增益引起的相位噪声的简单论证是错误的。我指出，一种{\em 无受激}增益过程实际上不引入相位噪声，因此激光器线宽的终极量子极限仅来自损耗，且等于 $\ell_{ult}= \kappa/4\bar{n}$。我研究了一些试图实现无相位噪声增益的物理增益机制：具有有限相互作用时间的线性原子-场耦合、非线性原子-场耦合、以及使用反直觉脉冲序列的绝热光子转移。第一种至多达到标准极限 $\ell_{0}$，第二种达到 $3/4 \ell_{0}$，而第三种达到 $\ell_{ult} = 1/2 \ell_{0}$ 的终极极限。