量子光学

量子光学：光与物质相互作用的神秘领域

自从激光技术的诞生，一门全新的学科量子光学逐渐进入人们的视野。它是一门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学科。深入这门学科，我们能理解光的本质及其与物质的奇妙互动。

一、量子光学简介

量子光学主要研究的是光的量子性质及其在光与物质相互作用中的应用。在激光出现之前，人们已经通过实验和理论认识到光的量子性质，如黑体辐射分布、光电效应、康普顿效应等。对于激光的相干统计性质，半经典近似理论无法给出满意的解释。只有对辐射场进行量子化，才能得出更准确的全量子理论方程。

二、光的相干性与量子光学

光的相干性是量子光学研究的重要内容之一。通过双缝实验，我们可以观察到光强的分布与时间的延迟有关，这种现象称为光子符合计数。实验表明，当两个随机信号存在一定的相关性时，只有在两者均不为零的情况下，其积才不为零。这种相关性体现了辐射源光量子的统计起伏性质。

三、自发辐射与受激辐射：光与物质的互动

在光与物质的互动中，自发辐射与受激辐射是最基础的过程。处于受激态的原子，由于外场作用或自发地发射光子回到基态。虽然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，但要理解自发辐射系数，我们需要考虑场的量子化以及零场的作用。虚的跃迁过程也在其中起到了重要作用。虚过程与实过程共同决定了原子的能级移位，这与实验结果吻合得很好。

四、辐射的线型与自发辐射

辐射的线型与自发辐射紧密相关。早期关于原子自发辐射线型的计算假设了原子处于激发态而外场为零。我们应该思考，如果没有外场的作用，原子是如何到达受激态的？这个问题涉及到光与物质的深层次互动，是量子光学领域的重要问题之一。

量子光学是一门光与物质相互作用的神秘领域的学科。通过深入研究光的相干性、自发辐射与受激辐射、辐射的线型等问题，我们能更好地理解光的本质及其与物质的奇妙互动。随着科学技术的进步，量子光学将在光通信、量子计算、量子加密等领域发挥越来越重要的作用。在量子世界的奥秘中，我们遭遇了一系列引人深思的问题。当外部激励场的影响相对较弱时，原子辐射的线型几乎可以忽略其影响，这自然而然地引导我们思考，当外部激励场变得极为强烈时，原子辐射的线型将如何变化？这一问题对于场的量子化理论来说，无疑是一次极好的检验机会。

借助原子束技术和可调谐的激光技术，我们已经完成了对钠原子共振跃迁的实验与理论验证。与我们所熟知的洛伦兹线型只展现一个峰值不同，当原子处于强场作用下时，其荧光线型呈现出三个明显的峰值。这一理论曲线如图4a所示，而实验曲线则与图4b相吻合。

除了单个原子的自发辐射外，还存在多个原子间的相干自发辐射，也被称为超辐射。这种现象的产生源于多个原子与共同的辐射场相互作用，构成了一个协同工作的整体。当这些合作的N个原子进行辐射时，它们达到同相位的状态。由于相干叠加的效果，总振幅与参与合作的原子数量N成正比，而总的自发辐射功率则与N的平方成正比。这便是相干自发辐射的显著特征。

另一方面，对于非相干自发辐射，由于参与辐射的N个原子的位相是随机的，因此其总自发辐射功率与处于受激态的原子数N直接相关。

受激辐射，作为产生激光的主要依据，与开放式的谐振腔共同作用，产生了我们熟知的激光。谐振腔的作用在于延长受激辐射光子在腔内的寿命，防止其迅速逃逸。这包括工作物质、腔、光泵在内的复杂系统是一个开放的量子力学系统（如激光器）。处理这种阻尼系统的耗散和起伏需要量子统计方法。从全量子理论出发，我们可以导出朗之万方程、福克-普朗克方程以及密度矩阵方程。这些方程中的典型代表是关于辐射的湮没与产生算符b、b+的朗之万方程。

在这个充满的领域里，激光的出现无疑为量子光学的发展注入了新的活力。当前，激光的产生、传输、检测与统计性质的研究仍然是量子光学中最具吸引力的课题，如光学双稳态、光学孤立波、压缩态等。对这些课题的深入研究，无疑将为我们揭示更多量子世界的奥秘。

若您希望进一步了解以上内容，可以参考以下书目：

R.J. Glauber, Proceedings of the International School of Physics “Enrieo Fermi” Course 42, Quantum Optics, New York, 1969.

H. Haken, Handbuch der Physik, Band XXV/2c, Licht und Materie Ic，Springer-Verlag，Berlin，1970.

F.Walls, Nature，Vol.280，P.451，1979.

R.Loudon, Physics Bulletin，Vol.27，p.21，1976.