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。