Tutorial on laser linewidths
在本教程中，激光线宽的物理起源和数学分析进行了审查。半经典模型是基于一个方程的光模振幅，其中包括随机源项，一个长期的每个过程，影响振幅（受激和自发发射，受激吸收，以及小面和材料损耗）。虽然源项是经典的，但它们的指定强度与量子光学定律是一致的。对该方程的分析表明，激光线宽与所有增益和损耗过程的（正）源强度之和成比例。三能级和半导体激光器比四能级激光器具有更宽的线宽，因为受激吸收和补偿它的受激发射都对线宽有贡献。
2021-10-13 physics.optics quant-ph
Quantum-limited linewidth of a good-cavity laser: An analytical theory from near to far above threshold
重新讨论了好腔激光器的量子限制或本征线宽问题。从Scully-Lamb主方程出发，给出了一种完全解析的方法，确定了稳态腔场的关联函数和谱。为此，我们开发了一种解析近似方法，隐式地结合了微观波动的相位和强度的字段，此外，充分考虑到饱和的非线性增益。我们的主要结果是一个简单的公式的量子限制的线宽是有效的，从近到远高于阈值，也包括热光子的存在。接近阈值时，线宽是忽略强度波动的标准相扩散处理所预测的两倍，甚至高于阈值50%的增加仍然是相当大的。一般来说，只要光子数分布不是严格的泊松分布，强度的量子涨落就存在并继续影响线宽。这种内在的关系是由一个公式显示的线宽和曼德尔Q参数。超过100%以上阈值的线宽被发现是小于预测的标准治疗，因为简单的相位扩散模型越来越高估的相位波动率忽略增益饱和。在极大平均光子数的极限下，得到了理想的完全相干经典场。
2000-11-01 quant-ph
Laser linewidth effects in quantum state discrimination by EIT
我们讨论了利用电磁修正吸收来实现原子的选择性激发：也就是说，激光激发一个跃迁，同时避免同时激发另一个跃迁，其频率与第一个跃迁的频率相同或接近。在存在电磁感应透明（EIT）的情况下可以实现的选择性受到暗态的退相干速率的限制。我们提出了这种效果的精确解析表达式，也给出了有用的见解的现象的物理模型和近似表达式。当激光频率与单光子跃迁接近共振时，EIT是实现分辨的必要条件。当激光频率远失谐时，“亮”双光子拉曼共振对于实现选择性激发是重要的，而“暗”共振（EIT）则不需要。并讨论了它在激光冷却囚禁原子中的应用。
2004-02-12 quant-ph
Semiclassical limits to the linewidth of an atom laser
在半经典框架下研究了准连续原子激光的线宽。在高通量状态下，激光模式可以表现出许多不期望的特征，例如密度波动。我们表明，因此，输出有一个复杂的结构，可以在一定程度上简化使用拉曼外耦合方法和能量动量选择规则。在弱耦合极限下，我们发现原子激光的线宽是瞬时傅立叶限制的，但是，由于与凝聚体的排放相关的能量“啁啾”，原子激光的长期线宽相当于凝聚体源的化学势。我们表明，正确扫描的耦合频率可以恢复傅里叶限制线宽。
2006-12-22 cond-mat.other quant-ph
Laser phase noise effects on the dynamics of optomechanical resonators
从理论上研究了激光相位噪声对普通腔光机系统冷却和加热的影响。导出了辐射压力驱动的振荡镜的反作用阻尼率、加热率和机械频移，并导出了小线宽激光器的最小声子占据数。我们发现，在实践中，激光相位噪声并不构成严重的限制基态冷却。然后，我们考虑激光相位噪声的影响，在一个参数腔驱动方案，最大限度地减少反作用加热的机械振荡器运动的正交之一。与腔场的衰减速率相比，激光线宽窄在实验设置中不会造成任何问题，但是更宽的线宽限制了这种反作用规避方法的实用性。
2010-11-01 quant-ph
Non-Markovian dynamics of few emitters in a laser-driven cavity
本文研究了激光驱动的Dicke模型。对于弱耦合系统的环境自由度的耗散动力学的发射器腔系统描述的Floquet主方程。系统演化投影到发射器自由度上导致非马尔可夫行为。我们量化的非Markovianity所产生的发射极动力学，并表明，这个量可以作为一个指标的耗散量子相变发生在高驱动振幅。
2017-09-09 quant-ph
Multimode quantum limits to the linewidth of an atom laser
原子激光器的线宽可以通过源玻色-爱因斯坦凝聚体中的较高能量模式的激发、由于原子相互作用而导致的该凝聚体中的能量移位、或者由于这些相互作用而导致的激光模式的相扩散来限制。前两种效应可以用半经典模型来描述，并且已经在泵浦和未泵浦的原子激光器中进行了详细的研究。第三种是纯粹的量子统计效应，并且只在零维模型中进行了研究。本文采用基于截断维格纳方法的随机方法，用量子场论研究了一维无泵浦原子激光器。这使得空间和统计效应被同时检查，和非泵浦原子激光器的线宽限制量化在各种限制。
2006-12-22 cond-mat.other quant-ph
Rugged mHz-Linewidth Superradiant Laser Driven by a Hot Atomic Beam
提出了一种基于热原子束穿过光学腔的新型超辐射激光器。我们表明，理论上的最小线宽和最大功率是最好的超相干时钟激光器的竞争力。此外，我们的系统在连续波模式下自然运行，这是迄今为止超辐射激光器难以实现的。与现有的超相干激光器不同，我们的设计简单而坚固。这使得它成为第一个广泛使用的超相干激光器的候选者，也是第一个在具有挑战性的环境中实现超相干激光器广受欢迎的应用的候选者。
2020-12-23 physics.atom-ph quant-ph
Langevin Theory of Non-Markovian Quantum Dynamics: Application to Delayed Coherent Feedback and the Laser Linewidth
Universitat de València（瓦伦西亚大学）；Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
本文提出了适用于非马尔可夫量子动力学的通用朗之万框架，将其应用于延迟相干反馈问题，重现并预测了激光线宽的窄化效应，且框架可扩展至多体系统。
2026-08-31 physics.optics quant-ph
Thermodynamics of Markovian Open Quantum Systems with Application to Lasers
本文综述了用 Lindblad 型马尔可夫主方程描述开放量子系统的热力学方法，并借助量子相对熵将其应用于激光模型研究。
2023-09-24 quant-ph
Universal gate-set for trapped-ion qubits using a narrow linewidth diode laser
我们报道了一种基于捕获$^{88}$ Sr $^+$离子的用于量子信息处理的高保真通用光量子比特门的实现。使用窄线宽二极管激光器进行所有相干操作。我们采用了主从配置的激光器，其中超低膨胀玻璃（ULE）法布里-珀罗腔被用作稳定的参考以及光谱滤波器。我们使用修正的Ramsey序列的离子来表征激光光谱，该序列消除了磁场噪声的影响。我们展示了高保真单量子位门与个人寻址，基于非均匀微动，在两个离子链以及莫默-索伦森两量子位纠缠门。
2015-05-11 physics.atom-ph quant-ph
Transition linewidth of cross-correlations in random intensity fluctuations in EIT
电磁感应透明（EIT）是由两束激光的随机强度涨落之间的互相关引起的，它表现出从相关到互相关的转变。我们研究了这种转变的线宽行为，发现线宽低于（有效）相干寿命极限，并且仅受竞争噪声的限制。我们建立了一个数值模型，揭示了线宽依赖于激光线宽和激光功率。我们使用不同线宽的激光器进行的实验表明，结果与模型定性一致。这一结果对于使用EIT的量子光学是有用的，并且也可能在光谱学和精密测量中具有应用。
2013-11-28 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Fundamental limit of linear bosonic sensors and the Schawlow-Townes laser linewidth limit
近年来，人们提出了许多特殊的传感器，如基于例外点的传感器、基于奇偶时间对称结构的传感器、基于非互易系统的传感器等。评估这些传感方案的基本限制并判断是否有增强的性能至关重要。已有多篇论文从不同的角度和标准对基本极限进行了研究，得出了不同的结论。在本文中，我们提出对于线性玻色子传感器，可以被建模为低于阈值的耦合振荡器，模式频率$w_0$的测量精度不能超过$\frac{\sqrt{κ_0}}{2\sqrt{nτ}}$，其中$κ_{0}$是固有损耗，$n$是该模式下的平均粒子数，$τ$是测量时间.对于单模无源传感器，已经可以实现这样的精度限制，并且我们已经证明，通过添加增益组件或将其耦合到其他模式以形成n模式线性传感器，不能超过该精度限制。此外，我们认识到，上述限制与阈值以上振荡模式（例如，阈值以上的激光腔）的频率不确定性（$\frac{\sqrt{κ_0}}{\sqrt{2 nτ}}$）相当，其与Schawlow-Townes激光器线宽限制有关。这一观察使我们猜想，我们提出的限制线性传感器可能是一个基本的一般限制，限制大多数，如果不是所有的传感器。
2022-11-30 quant-ph
Impact of detuning and dephasing on a laser-corrected subnatural-linewidth single-photon source
共振驱动的二能级系统的弹性散射峰被认为提供了窄线宽的反聚束光子。虽然独立的测量光谱宽度的一方面和反聚束的另一方面似乎表明，这是事实，联合测量表明，只有一个或其他这些属性可以实现在直接发射。我们讨论了一个方案，它与激光干涉的发射，同时产生单光子的亚自然线宽。特别是，我们考虑的效果的退相和失谐之间的驱动激光器和/或检测器与发射器。我们发现，也在存在的退相，我们的计划带来了相当大的改善相比，标准的计划。
2018-06-25 physics.app-ph quant-ph
Hybrid integrated ultra-low linewidth coil stabilized isolator-free widely tunable external cavity laser
本文提出一种混合集成外腔宽调谐激光器，通过10米集成线圈谐振器稳定，在无隔离器条件下实现超低线宽和宽调谐，显著降低频率噪声，为全集成频率稳定激光器铺平道路。
2025-07-02 physics.optics quant-ph
A corner-cube-feedback Faraday laser with 8 kHz linewidth
提出一种以角锥棱镜为外腔反馈元件的852 nm Cs原子法拉第激光器，实现8 kHz窄线宽、高机械稳健性及宽电流温度范围内的频率稳定。
2024-07-06 physics.optics quant-ph
Prospects for a mHz-linewidth laser
我们提出了一种新的光源的基础上有碱土金属原子在光晶格集体发射光子的超窄时钟过渡到一个高Q谐振器的模式。所得到的光辐射在mHz范围内具有极窄的线宽，由于集体效应，甚至小于时钟跃迁本身的线宽。$10^{-12}W$量级的功率电平是可能的，足以对从光学本地振荡器进行锁相。实现这种光源有可能将最佳时钟的稳定性提高两个数量级。
2009-04-01 physics.atom-ph quant-ph
A scalable narrow linewidth high power laser for barium ion optical qubit
本文验证掺铥光纤放大器可在不显著展宽种子激光线宽的情况下为钡离子光学量子比特提供高功率，并通过自外差法和离子四极光谱测得约160 Hz线宽。
2024-01-08 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Coherence and linewidth of a continuously pumped atom laser at finite temperature
由囚禁的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中的原子向外耦合形成的连续波原子激光器具有广泛的应用前景。然而，为了使设备真正连续，需要一种补充BEC中原子的机制。本文计算了连续泵浦的原子激光束从囚禁的玻色-爱因斯坦凝聚体中输出耦合时的时间相干特性。我们发现，冷凝物的热波动可以显着降低输出光束的时间相干性，由于被困BEC和光束之间的原子相互作用，这可能会影响设备的实用性。我们证明了拉曼外耦合方案赋予足够的动量踢原子激光束可以导致显着降低线宽。
2015-07-06 cond-mat.quant-gas quant-ph
A single-mode external cavity diode laser using an intra-cavity atomic Faraday filter with short-term linewidth $<400$ kHz and long-term stability of $<1$ MHz
我们报告的二极管激光系统的发展-“法拉第激光器”-使用原子法拉第过滤器作为频率选择元件。与提供可调谐输出频率但需要额外控制系统以实现稳定输出频率的典型外腔二极管激光器系统相比，我们的系统仅在由内部原子法拉第滤波器的峰值传输频率设定的单个频率下发射激光。我们的系统具有短期和长期的稳定性小于1 MHz，这是小于碱金属原子的D-线的自然线宽，使类似的系统适合用作“交钥匙”解决方案的激光冷却实验。
2016-07-07 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph
Low- and high-$β$ lasers in Class-A limit: photon statistics, linewidth, and the laser-phase transition analogy
纳米腔激光器的特征通常在于自发耦合系数$β$，其表示发射到激光模式中的光子的分数。虽然$β$通常在光子寿命比载流子寿命短得多的半导体激光器（B类激光器）中进行讨论，但是对于光子寿命比其他寿命长得多并且仅存在光子自由度的原子激光器（A类激光器）中的$β$知之甚少。通过扩展Scully-Lamb主方程，研究了自发耦合系数$β$在A类极限下对激光性质的影响.我们证明，在A类极限，所有的光子统计是唯一的特点$β$和激光相变类似的类比变得透明。事实上，$β$完美地代表了相变中的“系统尺寸”。最后，我们从量子耗散系统的角度研究了激光-相变的类比。通过对Liouville带隙的计算，阐明了$β$与连续相位对称破缺的关系.
2021-02-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Effects of relative phase and interactions on atom-laser outcoupling from a double-well Bose-Einstein condensate: Markovian and non-Markovian dynamics
我们调查方面的动力学的连续原子激光计划的基础上合并独立形成的原子凝聚。我们的理论分析涵盖了马尔可夫以及非马尔可夫操作制度，是基于半经典（平均场）的双模模型。讨论了两种凝聚体之间的相对相位的作用以及原子间相互作用对囚禁粒子数的演化和耦合原子分布的影响。
2007-11-23 cond-mat.other quant-ph
Correlations and linewidth of the atomic beam continuous superradiant laser
本文提出最小模型解释连续超辐射激光器特性，通过哈密顿过程描述原子进出腔，推导持续发射条件，指出线宽由集体原子偶极量子涨落决定，并发现超辐射与原子关联增长相关但关联对线宽影响小。
2022-11-17 physics.atom-ph quant-ph
Quantum-limited linewidth of a chaotic laser cavity
本文用随机矩阵理论研究了激光腔中光的无序散射对激光腔线宽的影响。由于腔模的非正交性，线宽被Petermann因子K增强到高于Schawlow-Townes值。因子K用非厄米随机矩阵表示，并精确计算了腔通过小孔与外界耦合时的因子K分布。K的平均值被发现依赖于非解析的开口面积，并大大超过最可能的值。
1999-05-18 chao-dyn cond-mat.mes-hall nlin.CD
Sub-100 Hz Intrinsic Linewidth 852 nm Silicon Nitride External Cavity Laser
本研究开发出852 nm波段本征线宽低于100 Hz的氮化硅外腔激光器，结合低损耗集成光子电路与商用增益芯片，实现高功率、宽调谐、高边模抑制比，为超冷原子传感器等应用提供紧凑型集成激光光源方案。
2024-10-04 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Atomic-referenced Hz-linewidth lasers via fiber interferometric stabilization
Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)（韩国科学技术院）；Pusan National University（釜山国立大学）
提出一种混合架构，通过将外腔二极管激光器稳定到光纤干涉仪实现赫兹级线宽，并利用调制转移光谱锁定到87Rb D2跃迁作为绝对频率参考，实现了3.4 Hz线宽和3.4×10^-14@0.56 s的频率稳定度。
2026-05-26 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Superradiance on the milliHertz linewidth strontium clock transition
今天最好的原子钟受到用来询问原子的激光频率噪声的限制。解决这个问题的一个建议是使用光学时钟跃迁作为其增益介质来产生超辐射激光器。这种激光器将充当一个有源原子钟，并且将高度不受参考腔长度波动的影响，而参考腔长度波动限制了当今最好的激光器。在这里，我们展示和表征超辐射发射的兆赫线宽时钟过渡的合奏激光冷却$^{87}$ Sr原子被困在一个高精细光学腔。我们测量的集体增强的发射率到腔模式的一个因素超过10,000相比，独立辐射原子。我们还演示了一种方法，种子超辐射发射和观察两个独立的跃迁激光之间的干涉。我们使用这种干涉来表征两个激光子系综的相对光谱特性。
2016-03-17 physics.atom-ph quant-ph
Atom laser coherence and its control via feedback
本文用量子力学方法研究了单模原子激光的相干特性。具体来说，我们专注于原子场的量子相位噪声表示的一阶相干函数，我们推导出各种制度的解析表达式。该函数的衰减由相干时间或其倒数线宽表征。原子的碰撞相互作用是线宽的一个重要因素。我们发现四个不同的制度，随着相互作用强度的线宽。这些范围从标准激光线宽，通过二次和线性制度，另一个恒定的制度，由于量子复兴的相干函数。激光输出仅在线性状态下是相干的（玻色简并）。然而，我们表明，量子非爆破测量和反馈方案的应用将增加，由许多数量级，相互作用强度的范围内，它仍然是一致的。
2002-06-18 cond-mat quant-ph
Coherence-Assisted Superradiant Laser with Hz Linewidth and $10^{-10}$W Power
本文提出基于玻色子碱土原子中拉曼跃迁诱导$^3$P$_0$-$^3$P$_1$耦合的超辐射激光方案，实现赫兹线宽与$10^{-10}$W功率输出，显著提升超辐射激光性能。
2022-11-13 physics.atom-ph quant-ph
Sensitive dependence of the linewidth enhancement factor on electronic quantum effects in quantum cascade lasers
线宽增强因子（LEF）描述了半导体激光器中振幅波动和相位波动之间的耦合，并且最近已被证明是除了线宽展宽之外的频率梳形成的关键分量。它必然产生于因果关系，如著名的克拉默斯-克罗尼格关系，在介质中的磁化率对强度变化的非平凡依赖性。虽然热贡献通常是缓慢的，因此通常可以通过适当设计实验的动力学来排除，但许多量子贡献更难分离。为了理解并最终将LEF设计为频率梳形成、孤子产生或窄激光线宽的合适值，因此重要的是系统地对所有这些效应进行建模。在这项全面的工作中，我们介绍了一个通用的计划计算的LEF，我们采用非平衡格林函数模型。这种直接的方法，基于模拟系统的响应在不同的光强度下，并提取强度波动的敏感性的依赖性，可以包括所有相关的电子效应和预测的LEF的操作量子级联激光器是在0.1 - 1的范围内，这取决于激光器的偏置和频率。我们还确认，多体效应，非共振跃迁，色散（布洛赫）增益，反向旋转条款，强度依赖的跃迁能量，和精确的子带分布都显着的贡献，是重要的准确模拟的LEF。
2022-07-19 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Broadband femtosecond lasers enable efficient two-photon excitation of the ultranarrow linewidth singlet 1s2s state in helium
Purdue University（普渡大学）；Purdue Quantum Science and Engineering Institute, Purdue University（普渡大学量子科学与工程研究所）
宽频带飞秒激光通过两光子激发实现高效激发氦原子超窄线宽单重态
2025-09-17 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Mixed quantum-classical modeling of exciton-phonon scattering in solids: Application to optical linewidths of monolayer MoS2
本研究提出一种用于固态材料激子-声子散射的混合量子-经典框架，结合倒易空间动力学与从头算参数化的相互作用模型，计算单层MoS₂光学线宽，结果与多温度下实验值吻合，为研究固体非绝热动力学提供新途径。
2024-05-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Basic mechanisms in the laser control of non-Markovian dynamics
参考Fano型模型的定性类比，我们发展了一个全面的基本机制，激光控制的非马尔可夫浴响应强耦合开放量子系统（OQS）。通过建立一个收敛的运动方程组（HEOM），数值求解自旋玻色子哈密顿量的主方程，得到了强太赫兹激光脉冲作用下异质结的约化电子密度矩阵.鲁棒性和有效的控制实现增加了一个因素？2非马尔可夫性由可达态的体积的时间演化来度量。研究了这些场对中心系统布居数和相干性的影响，重点讨论了非马尔可夫性的增加与退相干过程减慢之间的关系。
2017-10-19 physics.chem-ph quant-ph
Numerical analysis of a superradiance-sideband-assisted laser with a zero frequency pulling and a narrow linewidth
本研究通过量子朗之万方程数值模拟超辐射边带辅助激光器，实现了零频率牵引的中心激光峰，其线宽可低至原子/腔线宽的百万分之一，且可利用边带峰高差实现泵浦激光的原子锁定，为新型超稳主动光学钟提供了新思路。
2024-08-18 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Non-Markovian dynamics of the electronic subsystem in a laser-driven molecule: Characterization and connections with electronic-vibrational entanglement and electronic coherence
激光驱动分子中电子子系统的非马尔可夫量子演化的特征是在电子主方程的正则形式中出现负的退相干率。对于在2 × Nv的二分希尔伯特空间H = Hel × Hvib中描述的受驱动分子系统，我们导出了电子主方程的正则形式，推导出了非马尔可夫性的正则测度和可达态的Bloch体积.我们发现，退相干率之一总是负的，占固有的非马尔可夫性质的电子演化的振动环境。如果电子态g、e之间存在耦合，使得电子布居的演化服从d（PgPe）/dt> 0，则出现增强的非马尔可夫行为，其特征在于两个负的退相干率。分析了电子演化的非马尔可夫性与电子振动纠缠和电子相干的时间行为的关系，发现非马尔可夫行为的增强伴随着纠缠的增加.以Cs2分子中两个电子态的激光脉冲耦合为例，分析了不同强度激光脉冲作用下的非马尔可夫动力学，发现激光脉冲强度越弱，激发的非马尔可夫动力学越强.我们发现，在一个时间间隔内的电子振动纠缠的增加是相关的增长的总量的非Markovianity计算在同一时间间隔内使用典型的措施和连接的布洛赫体积的增加。在脉冲之后，非马尔可夫行为与电子相干性相关，使得电子势中的振动运动减少了核重叠，隐含地增加了纠缠的线性熵，给动力学带来了记忆特性。
2018-11-20 physics.atm-clus quant-ph
A practical guide to feedback control for Pound-Drever-Hall laser linewidth narrowing
针对AMO实验中PDH激光锁定需分散工程经验且缺乏控制理论视角的问题，本文基于现代工具系统整理组件选择与环路调谐方法，为首次搭建者提供实用指南，以1650 nm ECDL锁定优化为例说明。
2025-08-21 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Coherence assisted resonance with sub-lifetime-limited linewidth
我们展示了一种新的方法来获得共振线宽低于相干寿命的限制。耦合目标共振的两束激光的感应强度调制之间的互相关表现出窄谱。在两个基态为目标共振能级的原理验证实验中实现了寿命限制宽度的1/30。理论上，激光器的线宽只受激光散粒噪声的限制。实验结果与直观的分析模型和数值计算定性一致。该技术可以容易地实现，并且应该适用于许多原子、分子和固态自旋系统，用于光谱学、计量学和基于共振的感测和成像。
2012-08-31 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Picosecond laser pulses for quantum dot-microcavity based single photon generation by cascaded electro-optic modulation of a narrow-linewidth laser
本文利用定制电子设备级联驱动两个高带宽EOM，产生短至17 ps、对比度高于25 dB的光脉冲，并实现InGaAs量子点-微腔单光子源的共振激发。
2024-08-15 physics.app-ph physics.optics quant-ph
