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亞泊松光子統計

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亞泊松光子統計(縮寫為SPpS)是當前量子光學發展前沿中一個非常活躍的領域;是量子光場特有的非經典現象之一。z中國著名量子光學專家、中國科學院院士王育竹教授;其突出的研究成就已引起國內外量子光學界的廣泛關注。

  亞泊松光子統計與光子反聚束效應的最新研究進展


  



  1.亞泊松光子統計——發展動態、發展趨勢與發展方向


  



  亞泊松光子統計,是量子光場特有的非經典現象之一。與光場壓縮態及光子反聚束效應不同,亞泊松光子統計是通過光子數的統計分佈來體現光場的非經典特徵的。具體地講,亞泊松光場其光子數的幾率分佈要比具有相同平均光子數的泊松分佈更窄,即亞泊松光場的光子數起伏要比泊松光場的平均光子數更小。亞泊松光場所揭示出的這種特殊的光子統計性質,不僅進一步深化了人們關於光的量子本質的認識,具有重要的理論價值和重大的學術意義,而且還由於這種光場以其極低的光子數起伏在光通訊、引力波探測、光學精密計量、弱光及超弱光信號檢測、以及生命系統的超弱光子輻射探測等研究領域顯示出了十分廣闊的應用前景,因而成為當前量子光學領域內的一個十分活躍的前沿課題。


  眾所周知,以Lamb學派為代表的傳統的激光量子理論認為,穩態運轉的單模激光在泵浦不太強的情況下呈現超泊松光子統計,在泵浦甚強的情況下呈現泊松光子統計,但在任何泵浦條件下都不會呈現亞泊松光子統計。


  從1989年到1990年的兩年間,顧樵博士和張紀岳教授他們兩人在改進傳統激光量子理論的基礎上,對單光子過程單模激光場的穩態光子統計性質進行了詳細的研究。結果表明:在一般情況下,單模激光的光子統計呈現超泊松分佈與亞泊松分佈交替變化的新特點。但顧樵博士的這些研究,只是討論了激光上、下兩能級原子自發輻射衰變率相等即ra=rb(亦即激光上、下兩能級的原子平均壽命相等即τa=τb)的這一特殊情形,而對於兩者不等的普遍情形未作任何探討。


  1994年,楊志勇教授(理學博士、物理學博士后)和張紀岳教授他們兩人將上述研究推廣到了ra≠rb的普遍情形,從而得出許多不同於上述報道的普遍性結論。接著,在1996年,楊志勇教授和張紀岳教授他們兩人又將Lamb學派的激光量子理論進一步擴展到了簡併雙光子、簡併6光子和任意簡併多光子過程。其主要研究結果如下:第一,在一般情況下,激光上能級的相對泵浦參量xa具有一個完全確定的閾值XAT,當xa<xat時,光場呈現超泊松光子統計;當xa>xat時,光場呈現亞泊松光子統計;而當xa>>xat時,光場將呈現出深度且完全恆定的亞泊松光子統計;第二,在特殊情況下,閾值xat=0,這時在激光腔內可直接誘發亞泊松光子統計;第三,閾值xat將整個激光泵浦區(0,+∞)分成了第一泵浦區(0,xat)和第二泵浦區(xat,+∞)兩段;在第一泵浦區光場呈現超泊松光子統計,而在第二泵浦區光場呈現亞泊松光子統計;第四,隨著參與相互作用的光子數目的增加,閾值xat降低,光場亞泊松光子統計的程度增強。


  另外,關於這一領域的研究工作,國內外尚有其他一些報道,目前人們已將亞泊松光子統計的理論研究擴展到了雙模光場的情形。在中國,開展激光偏轉原子束並率先從實驗上驗證亞泊松光子統計規律的是中國著名科學家、著名量子光學專家、中國科學院院士王育竹教授;其突出的研究成就已引起國內外量子光學界的廣泛關注。


  筆者認為,當前及21世紀人們應將主要研究目標集中在以下4個方面:


  第一,進一步開展雙模及多模輻射場的亞泊松光子統計特性研究,探索模間的經典及非經典關聯對光場亞泊松光子統計特性的影響,探索場—原子之間及原子—原子之間的各種非線性相互作用對光場亞泊松光子統計特性的影響,建立「多模光場—多原子」系統相互作用的亞泊松光子統計理論,並尋求產生和測量亞泊松光子統計的新原理、新方法、新技術和新途徑等。


  第二,研究亞泊松光輻射的時空傳播特性,揭示亞泊松光場與物質原子、分子或離子相互作用的機理和規律等。


  第三,開發與研製高能量密度、大功率輸出的新型單模亞泊松激光輻射源,或者探索研製高峰值功率、窄脈衝寬度的(多模)超短超強脈衝輸出的亞泊松激光器的可能性和可能途徑。


  第四,探索亞泊松激光輻射源在科學技術各相關領域中應用的最佳途徑。


  2.光子反聚束效應——發展動態、發展趨勢與發展方向


  



  光子反聚束效應,也是量子光場特有的非經典現象之一。光子反聚束效應是通過二階相干度來體現光場的非經典特徵的。理論研究表明:僅在單模情況下,亞泊松光子統計與光子反聚束效應這兩者等價。目前,關於這一領域的研究國內外均已有許多報道,甚至有人已經提出了光子高階反聚束的概念。


  筆者認為,當前及21世紀人們應將主要研究目標集中在以下3個方面:


  第一,研究雙模及多模輻射光場的光子反聚束及高階反聚束效應。探索場—原子之間以及原子—原子之間的各種非線性相互作用對光子反聚束及高階反聚束效應的影響。


  第二,研究模間的經典與非經典量子關聯性對光子反聚束及高階反聚束效應的影響。


  第三,探索高階反聚束光的產生、測量、控制以及最佳技術應用途徑等。

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