量子光学 544

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1、量子光学百科名片量子光学量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。量子光学一词是在有了激光后才提出来的。目录隐藏简介研究内容发展历史性质发展规律量子力学诠释编 辑 本 段 简 介概 念量 子 光 学 quantum optics 以 辐 射 的 量 子 理 论 研 究 光 的 产 生 、 传 输 、 检 测 及 光 与物 质 相 互 作 用 的 学 科 。 到 了量 子 光 学 图 例19 世 纪 ， 特 别 在 光 的 电 磁 理 论 建 立 后 ， 在 解 释 光 的 反 射 、 折 射 、 干 涉 、 衍 射 和

2、 偏 振等 与 光 的 传 播 有 关 的 现 象 时 ， 光 的 波 动 理 论 取 得 了 完 全 的 成 功 （ 见 波 动 光 学 ） 。 19世 纪 末 和 20 世 纪 初 发 现 了 黑 体 辐 射 规 律 和 光 电 效 应 等 另 一 类 光 学 现 象 ， 在 解 释 这 些 涉及 光 的 产 生 及 光 与 物 质 相 互 作 用 的 现 象 时 ， 旧 的 波 动 理 论 遇 到 了 无 法 克 服 的 困 难 。1900 年 ， M.普 朗 克 为 解 决 黑 体 辐 射 规 律 问 题 提 出 了 能 量 子 假 设 ， 并 得 到 了 黑 体 辐 射 的普 朗 克

3、 公 式 ， 很 好 地 解 释 了 黑 体 辐 射 规 律 （ 见 普 朗 克 假 设 ） 。光 子 假 设 1905 年 ， A.阿 尔 伯 特 爱 因 斯 坦 提 出 了 光 子 假 设 ， 成 功 地 解 释 了 光 电 效 应 。 阿 尔伯 特 爱 因 斯 坦 认 为 光 子 不 仅 具 有 能 量 ， 而 且 与 普 通 实 物 粒 子 一 样 具 有 质 量 和 动 量 （ 见光 的 二 象 性 ） 。 1923 年 ， A.H.康 普 顿 利 用 光 子 与 自 由 电 子 的 弹 性 碰 撞 过 程 解 释 了 X射 线 的 散 射 实 验 （ 见 康 普 顿 散 射 ） 。

4、 与 此 同 时 ， 各 种 光 谱 仪 的 普 遍 使 用 促 进 了 光 谱 学 的发 展 ， 通 过 原 子 光 谱 来 探 索 原 子 内 部 的 结 构 及 其 发 光 机 制 导 致 了 量 子 力 学 的 建 立 。所 有 这 一 切 为 量 子 光 学 奠 定 了 基 础 。 20 世 纪 60 年 代 激 光 的 问 世 大 大 地 推 动 了 量子 光 学 的 发 展 ， 在 激 光 理 论量 子 光 学 图 例中 建 立 了 半 经 典 理 论 和 全 量 子 理 论 。 半 经 典 理 论 把 物 质 看 成 是 遵 守 量 子 力 学 规 律 的 粒 子集 合 体 ，

5、 而 激 光 光 场 则 遵 守 经 典 的 麦 克 斯 韦 电 磁 方 程 组 。 此 理 论 能 较 好 地 解 决 有 关 激 光与 物 质 相 互 作 用 的 许 多 问 题 ， 但 不 能 解 释 与 辐 射 场 量 子 化 有 关 的 现 象 ， 例 如 激 光 的 相 干统 计 性 和 物 质 的 自 发 辐 射 行 为 等 。 在 全 量 子 理 论 中 ， 把 激 光 场 看 成 是 量 子 化 了 的 光 子 群 ，这 种 理 论 体 系 能 对 辐 射 场 的 量 子 涨 落 现 象 以 及 涉 及 激 光 与 物 质 相 互 作 用 的 各 种 现 象 给予 严 格 而

6、 全 面 的 描 述 。 对 激 光 的 产 生 机 理 ， 包 括 对 自 发 辐 射 和 受 激 辐 射 更 详 细 的 研究 ， 以 及 对 激 光 的 传 输 、 检 测 和 统 计 性 等 的 研 究 是 量 子 光 学 的 主 要 研 究 课 题 。编 辑 本 段 研 究 内 容统 计 性 质下 面 从 光 的 相 干 统 计 性 质 、 自 发 辐 射 、 受 激 辐 射 等 方 面 简 要 阐 述 量 子 光 学 的 内容 。图 1a 示 出 由 点 光 源 S 发 出 经 双 缝 P1， P2 的 振 动 E1(t+)， E2(t)在 屏 上 Q 点 叠加 ， 光 强 I(Q

7、)可 表 示 为图 1a式 中 表 示 对 时 间 t 求 统 计 平 均 ， 表 示 经 狭 缝 P1， P2 的 光 的 相 对 时 间 延 迟 ， 为 光 速 。 式 (1)右 端 前 两 项 为 E1， E2 的 光 强 ， 后 两 项 为 E1， E2 在 Q 点 叠 加 后 的干 涉 项 ， 描 述 屏 上 干 涉 条 纹 。 若 将 狭 缝 拿 掉 如 图 1b， 用 光 电 管 接 收 Q， Q点 的 光 强 ，输 出 随 机 的 光 电 流 信 号 n(t+)， n(t)，图 1d。 实 验 表 明 ， 这 两 个 随 机 信 号 存 在 一 定 的 相 关 性 。 它 们

8、的 积 对 时 间 求 平 均 n(t+)n(t)与相 对 时 间 延 迟 有 关 ， 这 种 相 关 性 又 称 为 光 子 符 合 计 数 。 因 为 仅 当 n(t+)与 n(t)均不 为 零 时 ， 其 积 才 不 为 零 。 图 1a 的 干 涉 条 纹 由 干 涉 项 来 描 述 ； 图1d 的 光 电 流 输 出 的 相 关 性 乃 是 辐 射 源 光 量 子 统 计 起 伏 性 质 的 体 现 ， 应 由 n(t+)n(t) 来 描 述 。 将 这 两 个 量 归 一 化 ， 便 得 出 辐 射 场 的 一 阶 、 二 阶 相 关 函 数 g1()，g2()的 定 义 如 下

9、图 2 给 出 各 种 辐 射 源 的 二 阶 相 关 函 数 g2()随 延 迟 时 间 的 变 化 曲线 。 上 曲 线 为 黑 体 辐 射 源 ， 当 0 时 ， g2() 极 大 值 2， 光 子 符 合 计 数 亦 最 大 ， 这表 明 光 子 趋 向 于 同 时 到 达 ， 这 就 是 黑 体 辐 射 的 光 子 聚 束 效 应 。 但 当 增 大 ， g2()下降 到 渐 近 于 1， 光 子 符 合 计 数 亦 相 应 下 降 ， 表 现 出 不 聚 束 。 中 曲 线 为 单 模 激 光量 子 光 学 图 例源 ， 不 论 为 何 值 ， g2()值 为 1， 表 现 出 不

10、 聚 束 。 这 是 因 为 单 模 激 光 服 从 泊 松 分 布 ；而 黑 体 辐 射 服 从 普 朗 克 分 布 。 统 计 分 布 不 一 样 ， 表 现 统 计 分 布 的 二 阶 相 关 函 数 g2()也 就 不 一 样 。 还 有 一 种 情 形 即 下 曲 线 所 表 示 的 反 聚 束 源 ， 在 一 定 条 件 下 ， 服 从 亚 泊 松 分布 。 当 0， g2() 0， 亦 即 当 SQ=SQ时 ， Q、 Q点 不 能 同 时 有 光 子 到 达 ， 光 子 符合 计 数 为 零 ， 这 就 是 反 聚 束 效 应 。 由 S 发 出 的 光 波 为 什 么 不 能

11、同 时 到 达 满 足 条 件 =(SQ-SQ)/=0 的 Q、 Q点 ， 从 经 典 波 动 理 论 来 看 ， 这 是 不 可 思 议 的 。 但 从 光 量 子 观点 来 看 ， 单 一 光 子 要 么 进 入 Q 点 的 光 电 管 被 接 收 ， 这 时 n0， n=0;要 么 进 入 Q点 的光 电 管 被 接 收 ， 这 时 n=0， n0， 故 求 平 均 后 有 n(t)n(t) =0， g2()=0， 所 以 反 聚 束是 一 种 量 子 效 应 ， 只 能 从 量 子 光 学 去 理 解 。自 发 辐 射 与 受 激 辐 射至 于 光 与 原 子 的 相 互 作 用 ，

12、最 基 础 的 莫 过 于 自 发 辐 射 与 受 激 辐 射 了 ， 一 处 于 受 激态 的 原 子 ， 由 于 外 场 作量 子 光 学 图 例用 ， 发 射 出 一 个 光 子 ， 跃 迁 到 基 态 ， 这 叫 做 受 激 辐 射 ;若 没 有 外 场 作 用 ， 原 子 也 会 自发 辐 射 出 一 个 光 子 回 到 基 态 ， 这 叫 做 自 发 辐 射 。 虽 然 按 半 经 典 理 论 的 量 子 力 学 微 扰 论 能导 出 吸 收 系 数 与 受 激 辐 射 系 数 。 但 要 导 出 自 发 辐 射 系 数 就 要 用 到 经 典 场 的 阻 尼 振 子 概念 ， 如

13、 果 辐 射 场 也 进 行 量 子 化 ， 就 导 致 一 个 经 典 场 所 没 有 的 零 场 起 伏 能 量 ， 由 于 零 场 的作 用 ， 使 受 激 态 原 子 自 发 辐 射 出 光 子 回 到 基 态 。 此 外 ， 由 于 场 的 量 子 化 ， 又 出 现 一 个 虚的 跃 迁 过 程 。 在 图 3a 所 示 的 实 过 程 中 ， 电 子 由 高 能 态 2 跃 迁 到 低 能 态 1， 并 辐 射 出光 子 hv； 而 图 3b 所 示 的 虚 过 程 则 是 电 子 由 低 能 态 1 跃 迁 到 高 能 态 2， 也 辐 射 出 一 个光 子 hv。 能 量 似

14、 乎 不 守 恒 了 ， 但 作 用 时 间 很 短 ， 并 不 违 背 量 子 力 学 中 的 测 不 准 关 系 ，考 虑 到 虚 过 程 后 的 原 子 能 级 移 位 计 算 ， 与 实 验 符 合 很 好 。 与 自 发 辐 射 紧 密 联 系 的 便是 辐 射 的 线 型 。 最 早 关 于 原 子 自 发 辐 射 线 型 的 计 算 是 假 定 了 原 子 处 于 激 发 态 而 外研 究 实 验场 为 零 。 其 实 如 果 不 是 外 场 的 作 用 ， 原 子 又 怎 样 到 达 受 激 态 的 呢 ？ 只 能 说 外 场 很 弱 ， 对辐 射 线 型 的 影 响 可 略

15、去 不 计 ， 这 就 很 自 然 地 提 出 当 激 励 的 外 场 很 强 时 ， 原 子 辐 射 的 线 型又 是 怎 样 的 问 题 ， 这 对 场 的 量 子 化 理 论 也 是 一 很 好 的 检 验 。 借 助 原 子 束 技 术 和 可 调 谐 的激 光 技 术 ， 已 完 成 对 钠 原 子 共 振 跃 迁 的 实 验 与 理 论 验 证 。 与 熟 知 的 洛 伦 兹 线 型 只 有 一 个峰 不 一 样 ， 在 强 场 作 用 下 的 荧 光 线 型 有 三 个 峰 ， 图 4a 为 理 论 曲 线 ； 图 4b 为 实 验 曲线 ， 符 合 得 好 。除 了 单 个 原

16、 子 的 自 发 辐 射 外 ， 还 有 多 个 原 子 在 一 起 时 产 生 的 相 干 自 发 辐 射 ， 也 称超 辐 射 。 这 是 因 为 多 个 原量 子 光 学子 与 共 同 的 辐 射 场 相 互 作 用 而 构 成 一 合 作 的 整 体 。 合 作 的 N 个 原 子 辐 射 同 相 位 ， 由于 相 干 叠 加 ， 总 振 幅 正 比 于 N， 总 的 自 发 辐 射 功 率 正 比 于 N2， 这 就 是 相 干 自 发 辐 射的 主 要 特 征 。 对 于 非 相 干 自 发 辐 射 而 言 ， 由 于 N 个 原 子 辐 射 的 位 相 是 无 规 的 ， 故 总 自发 辐 射 功 率 与 受 激 态 原 子 数 N 成 正 比 。至 于 受 激 辐 射 ， 产 生 激 光 的 主 要 依 据 即 受 激 辐 射 与 开 式 谐 振 腔 。 谐 振 腔 的