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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 当代光学进展(3) 
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May  1 19:30:39 2004), 站内信件

（三）量子光学研究

    1.从混沌光场到相干态光场

    早在大约一个世纪以前，人类就开始认识到光的量子性质。量子概念是从黑
体辐射研究中引出的，黑体辐射是持续了50多年的跨世纪研究。最初，普朗克大
胆地引入了辐射与吸收谐振子概念。接着发现了它们的深刻意义，由此导致了能
量子概念的提出。普朗克的能量子理论不仅冲击了经典物理学长期信奉的“自然
界无跳跃”的信念，也彻底变革了经典物理学中的因果律以物理量连续变化方式
为基础的思想方法。普朗克的能量子成为近代量子物理学的生长点。紧接其后的
是爱因斯坦的光量子假设被提了出来。在光电效应以前有关现象的研究中，爱因
斯坦不仅把量子概念扩展到了光的传播，还用到了物体内部的热振动和光化学现
象。在1916年爱因斯坦所发表的《关于辐射的量子理论》中，他提出了关于辐射
的吸收与发射过程的统计理论。在该理论中，他利用了玻尔的量子跃迁思想，导
出了普朗克的辐射公式。更值得注意的是，论文还提出了受激辐射概念，为60年
代激光的问世提供了理论基础。尽管爱因斯坦的光量子假设遭到了当时几乎所有
老一辈物理学家的反对，但是1920年康普顿效应的发现，却给电磁辐射场的不连
续性提供了进一步的证明。它不仅表明电磁场能量的量子化分布，为此成为光量
子理论的重要实验依据，同时，还首次证实了微观粒子的运动遵守动量守恒与能
量守恒定律。

    尽管人类认识到光的量子性已经近一百年，但是应用量子理论研究光辐射与
光场的相干性及统计性还只是近年来的事。从光量子论的诞生，到随后量子力学
的建立，对物理学乃至整个自然科学产生了极其深刻的影响。然而，近半个世纪
之久，经典电磁理论在光学领域中，却始终占据着主导地位，光学的研究也始终
停留在经典理论的框架之中，缓缓地向前发展着。这种发展极端不平衡的现象，
不能不引起人们的深思。在究其原因时，人们看到了经典电磁理论在光学领域中
几乎取得了全面的成功，而光的量子性却只能通过寥寥无几的特定光现象才能被
观察到。即使承认了光的波粒二象性，也只是被认为在传播中，光显现波动性，
而仅在与物质作用的少数几个事例中，光才显现粒子性，把波粒二象性仍当作为
两种分立的属性，很难设想它们是如何融为一体的。

    60年代初，激光的诞生给光学带来了不可估量的影响，尤其是在对激光机理
的理论与实验研究中，人们发现了激光与普通光的本质差别。在激光问世以前，
人们所接触与使用的光，包括热辐射、固体发光、气体放电等，都是发自大量彼
此独立的原子（或分子）的光的集合。各个原子发出的光在相位上彼此毫无关联，
这种光场称为混沌光场。传统光学以混沌光场为研究对象，判断相干光也只是以
这种光场能否发生干涉为依据。因此，相干性的实质被认定为：不同时空点处光
场的相位关联程度。这种带有极大局限性的相干性概念，一直持续了数百年。第
一次揭示这种相干性具有局限性是在1956年，由汉堡、布朗及退斯所完成的光学
关联实验。这一实验又常以三人姓氏第一字母打头，被称为HBT 实验。他们把发
自放电管的辐射，经滤波后，由半透半反分光器分为两束，其中一束经时间延迟
器。两只光电倍增管分别接收两束光后，再把其输出信号馈送到一个相关器中。
这样，相关器测量到的将是两个不同时空点光场强度起伏的关联，不再是过去的
相干实验中所测的光场强度自身的相位关联。通过这一实验，他们首次证实了光
场存在有高阶相关效应，这是过去任何经典干涉与衍射实验所没能观察到的。就
相干光的频率而言，光场的强度起伏关联是一个缓慢变化的量，它的测量值受到
外界的扰动要比测量相位关联微弱得多。本来HBT 实验的初衷是打算用这套装置
代替迈克耳逊测星仪，以提高测量双星角间距的精度，不料，实验的结果却远远
地超出了原来的预想。

    HBT 实验给相干性带来了全新的概念。根据经典理论，传统光场的随机性只
用一个一阶相关函数描述就够了，这就是一阶相干度为1 时，即对应完全相干性
情况。然而，HBT 实验测出的光场起伏却表明，上述相干性的描述并不完备，还
必须补充二阶或更高阶的相关函数。只有当一阶、二阶或更高阶的相干度均为1
时，才能称为完全相干光。在普通光源情况下，不可能获得这种真正的完全相干
光。然而，一台理想的激光器所产生的光场就处于相干态，只有激光诞生后，人
们才有可能获得真正的相干光源。

    HBT 实验还表明，量子电磁场意义下的相干态光场，并不是无噪声的光场，
它们包含了真空起伏的量子涨落，因而具有经典体系所不具有的统计性质。这种
光场的量子性又导致人们对压缩态的研究。

    2.压缩态研究

    根据量子场论，处于真空中，各量子场的每一个振动模式仍会不停地振动，
这种振动称为真空零点振荡。与此同时，真空中各量子场间还会相互作用，不断
有各种虚粒子产生、消失或转化，这就是真空的量子涨落。从这种意义上看，真
空本身就是一种极其复杂的媒质。因此，当用量子场论的观点、方法研究光的传
播时，一束具有确定频率、确定偏振态和传播方向的单模光波，其振动的模量与
相位角均为互不对易的算符，根据测不准原理，完全相干光条件下的量子相干态，
在振幅平面上不再对应于一个点，而是一个圆斑。圆斑的大小等于电场的真空起
伏涨落，称为零点振动。这意味着，即使在“完全黑暗”之中，电磁场仍存在微
小的起伏。普通光波是经典光波与这种真空起伏的叠加，它们相干的结果构成噪
音场，这将使测量的精度从根本上受到限制。如何使这种无规则的起伏压缩至最
小，是人们十分关注的问题。

    近年来，研究人员发现①，在某些情况下，光束中的这种量子噪音可以被压
缩到很小，而且，当光波的一部分噪音被压缩至很小时，另一部分光波噪音却被
放大，而对被压缩噪音的光波进行测量时，其精确度有可能超出测不准原理给出
的限制。为了得到压缩光，最初设想使用一种周期性泵浦的方法。令谐振腔一端
的反射镜往返运动，当腔长变化的频率达到光频的两倍时，到达反射镜上的光波
能量会周期性地被放大和缩小。这意味着，腔体靠长度的变化，不断地向光波放
出或从光波抽取能量。若反射镜振动相对光波具有一定的相位时，光波则被放大，
电磁振荡趋于增强；反之，光波被衰减，电磁振荡趋于减弱。

    真空噪音是由许多无规则的波构成的，它们具有相同的频率，但振幅与相位
却呈现无规则变化。当一定相位的波被放大时，另外一些波则被衰减。能量重新
分配的结果，腔内的真空噪音将由一部分高振幅波与一部分低振幅波组成，这两
部分波的强弱又交替变化着，这种光波即称为压缩态。

    上述设想虽然很巧妙，但是事实上，不可能使反射镜以光频数量级振动。1985
年，美国贝尔实验室的斯鲁施尔（Slusher ）研究小组以上述原理为基础，提出
了一种代替反射镜振动的实验方案。他们在谐振腔中放入一个充满钠原子蒸气的
容器。由于在钠原子气中光速比真空中低，光经过钠蒸气室的光程加大。当用激
光激发钠原子，由于激光的激发，钠原子蒸气室的光程迅速变化，这种变化的频
率又恰好与光频相当，因而代替了反射镜的往返振动。他们的这一实验获得了成
功，首次利用所形成的驻波场的激光，周期地激发钠原子而获得了压缩光，使压
缩后的真空噪音下降了7%. 这一实验的成功带来了积极的反响。

    美国IBM 的艾尔马丹（Almaden ）研究中心的谢尔比（Shelby）、麻省理工
学院的夏皮洛（Shapiro ，I.）等人利用不同的方法也得到了光场的压缩态。目
前世界上最高压缩量的单模压缩态是由得克萨斯大学的基布尔（Kimble，J.）与
中国科学院物理研究所的吴令安、山西大学的彭堃墀共同获得的，他们得到的压
缩光噪音水平较真空噪音下降了近70%.

    压缩光是非经典光，它的量子特性对于揭示场的物理本质有着重要的价值。
压缩态光场又是通过非线性过程由相干光场产生的，对它的研究又使量子光学与
非线性光学得到了交叉。

    同时，由于压缩光具有比一般标准量子噪音低的起伏，可以大幅度地提高信
噪比，可望能在对像引力波这样的微弱信号检测、光通信及原子、分子物理学等
方面得到特殊的应用，因此，光压缩态研究已成为目前光学领域中重要的基础研
究与前沿课题之一。

    3.腔量子电动力学

    量子光学的目标是在量子电动力学的理论框架内，重新研究各种非线性相互
作用过程，目的在于揭示各种非经典效应，研究产生这些效应的实验方法，并开
辟它们的应用途径。近年来，腔技术的发展，已使超导微波腔的Q 值达到了1011
数量级，光子在腔体内的存留时间可以长达几分之一秒，这为腔量子电动力学的
研究奠定了实验基础，也使这一课题成为近年来光学研究的热门领域之一。

    处于激发态的原子，可以通过自发辐射过程跃迁到基态。

    实际上，引起自发辐射的物理机制是真空的量子起伏。由量子电动力学可以
精确地计算出这种自发辐射的速率。然而，若把激发态的原子置于一个腔体中，
由于腔只允许某些分立的本征模存在，腔的存在将使真空场的谱结构发生变化，
然而场在自由空间的任何模式都有真空的起伏，这就使得腔体中原子与真空的相
互作用与在自由空间中不同。人们很关心这种情况下，原子的自发辐射是否会受
到影响，如果有影响又是何种影响。此外，当腔内不是真空，而存在有相干光场
时，原子自发辐射的振荡频率又将如何变化，由于腔的存在，自发辐射光的最小
谱线宽度又发生什么变化。人们预料，这些问题的研究对于腔量子电动力学的发
展有重要作用。

    目前，理论与实验的研究均已证实，腔的存在对原子与电磁场相互作用有明
显的影响。1987年，实验发现了称为拉比（Ra-bi ）振荡的效应。在实验中，向
不完全真空、且有一定热辐射（2.5K）的腔体内，注入高激发态的里德伯原子，
由于所发出的光子在腔体内停留的时间长，高激发态原子在跃迁时，偶极矩又较
大，使原子在腔内的自发辐射有可能是可逆的，即反复地释放和吸收光子，这就
使原子在上下两能级间来回振荡。当原子跃迁频率恰与某一腔频共振时，即可观
察到拉比振荡现象。由于能证实量子相干理论，拉比振荡现象已经成为腔量子电
动力学的重要实验之一。

    1980年，人们曾利用量子电动力学从理论上预言，拉比振荡还会有衰减—复
苏—衰减的效应。这一效应只可能由量子电动力学得到解释，因为如果用经典理
论描述光场，拉比振荡应保持恒定，若是应用量子电动力学，拉比振荡频率与光
子数n 的平方根成正比，而量子相干态不是光子数的本征态，它应是n 在一个值
附近的许多光子数本征态的叠加，因此，原子在两个能级上的几率之差应该与不
同的拉比振荡频率相关。当各种振荡相位分散时，振荡将衰减；相位一致时，振
荡将加强。这一预言很快地被实验所证实。

    4.超辐射研究

    早在激光出现以前，以创立标量- 张量理论研究引力、并对宇宙原始大爆炸
的微波背景辐射做出预言而闻名于世的美国物理学家迪克（Dicke ，RobertHenry1916
～）就在他的一篇著名论文①中预言，“在多个原子的受激辐射过程中，原子间
的‘合作’效应能在发射动力学中起重要作用”。近十几年来，迪克的这一预言
引起了一些人的注意。迪克所预言的，即是一种超辐射现象。

    超辐射是多个原子在一起时，所产生的一种相干自发辐射。此时，多个原子
与共同的辐射场相互作用，构成一个合作的整体。彼此合作的N 个原子的辐射相
位相同时，由于相干叠加，自发辐射的光强将与N2成正比。在非相干自发辐射时，
由于N 个原子辐射的相位彼此毫无联系，自发辐射的光强将只与受激态的原子数
N 成正比。所以，光强与N2成正比，是超辐射与一般辐射相区别的主要特征。

    超辐射现象属于原子或分子在辐射过程的弛豫时间内，所发生的一系列非线
性光学效应。这种情况只有在入射光极强、相干性极好的条件下才能发生。除此
以外，这种现象还要求有足够的弛豫时间范围。在初始时，所有原子都处于激发
态，各个原子跃迁电偶极矩在相位上彼此没有关联，所以在第一个光子发射时，
与普通的辐射没有任何区别，它的发射时间具有较大的不确定度。然而，在第一
个原子发射第一个光子之后，各个原子与辐射场相互作用的结果，它们的跃迁电
偶极矩的相位产生了关联，这不仅增加了第二个光子的辐射率，减小了发射时间
的不确定度，而且在发射方向上也以第一个光子的发射方向做为从优选择。随着
发射光子数的增加，相位关联越来越强，辐射率继续增大，发射时间的不确定度
随之减小，直到发射高峰出现。此时，总的发射时间不确定度等于各次发射不确
定度平方和的根，而其中第一次所占的比例为3/4 最大，以后逐次减小。由于在
高峰时，原子跃迁电偶极矩相位达到了最大关联，辐射强度与N2成正比，这一切
表明，超辐射光不是一般的混沌光，而是一种相干光。这种相干光产生的机制与
激光的受激辐射不同，它是多个原子自发辐射时，与共同的辐射场相互作用而出
现的干涉效应。

    1973年，美国麻省理工学院的费尔德（Feld）研究小组最早在可见光波段上
观察到了超辐射现象①。以后又有一些涉及不同原子系统、不同泵浦方式和不同
光谱发射区的超辐射实验获得了成功。近年来，人们对超辐射进行了大量的研究，
包括超辐射产生条件、原子合作的建立过程与机制、合作长度、孕育期、峰值特
点及物理性质和不同抽运方式、不同样品、不同原子密度对超辐射的影响等。1982
年，人们从实验上观测到了超辐射过程。同一年，劳仑斯- 利弗莫尔实验室和普
林斯顿大学研制成功X 射线激光器。X 射线激光的问世，不仅对生物科学、微电
子学、固体物理和材料科学研究产生了重要的影响，它还使人们看到，利用超辐
射实现的X 射线的相干辐射研究具有广阔的应用前景。超辐射除了强度大、谱线
锐度高等优点外，在短波区更具有较大的辐射几率。它无需谐振腔，因而避免了
谐振腔材料的困难。而且，在超辐射时，上能级寿命短，会增加辐射率。因此，
在X 射线激光发生困难之处，正是X 射线超辐射的优越性所在。

    超辐射的另一个特点也引起了人们的注意，这就是它的非线性效应。由于它
显现出较强的非线性效应，可以用于高分辨率光谱学研究。喇曼超辐射及双色超
辐射又可用于超辐射调谐输出。利用超辐射的反聚束效应与压缩效应还可望提供
光子简并度高、量子噪音低的超辐射源。上述这些技术的实现，又能进一步推动
超辐射理论研究的进展。


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