光子成串和反成串效应

一般认为，发自普通光源不同原子的光子，彼此间在位相上无确定的关系，普通光是量子力学的混沌态。因此，在激光出现以前，人们不可能见到独立光束间的干涉现象。如果说，曼德尔的实验使人们放弃了光是由光子组成的微粒流，放弃了光子干涉描述的话，那么，1956年，在激光问世前，布朗（Brown，R.Han-bury）与退斯（Twiss，R.Q）所完成的光子成串实验①却已经为人们重新认识光子开创了新局面。他们把发自汞灯放电管的光，用半透、半反分光器分为两束，两束相干光分别被两个光电探测器所接收，然后送到一个延时符合电路上计数，测量出一定的时间间隔内，不同延时下所积累的符合计数。
     本来，无论透射光还是反射光都来自光源中的各个不同的原子，加以延迟后，光子的符合计数本不应再反映两束光的正关联。然而实验结果却出人意料地表现出明显的正关联效应。有人曾对这个实验结果表示怀疑，认为它是违反量子力学原理的。但是玻塞尔（E.M.Pur-cell）却指出②，光子计数的正关联效应，正是热光源光子满足玻色统计的结果。由于这种统计性质，光子不仅不呈现独立事件的随机分布，相反地，它们倒倾向于相互连续地成串出现。他把它称为“光子成串效应”（Photon bunching）。光子成串效应的结果，使它们到达的时间得以接续。后来，还有人证明，利用经典电磁场的涨落机制，也可以引起相干光束强度的正关联。布朗-退斯实验中的光子计数率，正是这种强度涨落平均效应的体现。光子成串效应实验还为人们开辟了一种新的检测手段，这就是利用强度关联光子计数的检测，研究光的高阶相干性质。研究发现，对于一般热光源，光子服从玻色统计。布朗-退斯的实验结果，恰满足量子电动力学的分析结果。运行于高于阈值的激光，处在平均光子数很高的相干态，即一种相位完全确定而粒子数完全不确定的状态，激光的二阶相干度对应零关联；而对粒子数完全确定的状态，则表现为一种负关联，这恰与经典理论的结果相反。
     它表明，激光强度涨落是一种零关联，光子计数完全是随机排列；而热光相干强度是一种正关联，光子到达的序列比随机情况接续得更为密切；对于具有确定光子数的状态，强度涨落的负关联则意味着光子到达序列比随机情况隔开得更远一些。这些区别，只有根据量子电动力学的理论分析才能得到解释。这一理论认为，激光与热光中光子在统计性质上的差异，可以通过强度关联的光子计数检测出来。然而若按经典理论，无论发自激光，还是发自热光源的光束，只要经过完全相同的聚焦、衰减、过滤、起偏等操作，所得到的光束在强度、频率、偏振等方面，可以做到毫无差异，然而光子成串效应恰恰否定了这一点。光子成串效应所表现出来的高阶相干性质为人类进一步深入认识光的本性，为开辟量子光学的新领域开辟了一条有效的途径。1977年，曼德尔等人在共振荧光实验中，又观测到了光子反成串效应①。他们使用钠原子束，在横向，用可调谐染料激光激发，然后在与原子束和激光束都垂直的方向上，收集钠原子发出的共振荧光。利用布朗-退斯的测量装置，记录不同延迟时间的光子符合计数率。
     他们把钠原子束流减弱到使原子逐个地通过视场，而每个原子跃迁时，只能辐射一个光子，从而满足了单光子条件。实验的结果表明，在延迟时间τ极小时，光子符合计数率明显地高于τ=0的情况。这一结果被认定为光子反成串效应的初步证据。激光问世以来，以独立光束实验，光子的成串与反成串实验为代表的一系列研究结果表明，对光的量子化描述极为必要。而在量子理论中，几率幅这一概念又具有头等重要的意义，人们正试图应用它来解释这些新的实验成果，并通过量子电动力学理论，扩展并深化对光过程及光本性的研究。保尔（H.Paul）曾明确指出①，“像干涉这一概念，应从传统光学中的干涉条纹或拍频信号的狭小范围中扩展出来，正如通过布朗-退斯实验所看到的，应当把它推广到任何由于不同的几率幅叠加而产生的效应，在这一推广中，人们势必能更深入地认识光的本性。”