热光的双光子特性

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上个世纪末,纠缠光源的双光子干涉和成像成为人们研究的热点之一。这种成像和干涉是利用光场的二阶关联的纠缠特性实现的,表现出与经典的一阶关联完全不同的新特性,如非定域性、亚波长效应等。这种独特的现象引发了人们关于量子现象和经典现象的本质区别的思考。人们曾经认为双光子的干涉和成像是纠缠光源所独有的现象。然而,近年来,人们发现热光也可以实现类似的双光子干涉和成像,使该问题成为近几年的研究热点。   实验上,由于真热光源的相干时间短,各实验组使用的光源是赝热光源。本文首次用真正的热光源(空心阴极灯)实现了双光子干涉和成像实验。在双光子干涉的实验中,当扫描单个探测器,发现单光子计数没有一阶干涉条纹;若固定一个单光子探测器,扫描另一个,得到了类经典的干涉条纹。在反对称方向同时扫描两个探测器,得到了亚波长干涉。在对称方向同时扫描两个探测器,没有观察到干涉现象。这些现象与纠缠光的双光子干涉实验现象有所不同。在双光子“鬼”成像的实验中,笔者获得了物为两个小孔的像,这种成像满足类似经典的薄透镜高斯成像公式,但不同于纠缠光“鬼”成像的高斯成像公式。在这两个实验中,由于真热光源相干时间很短的限制,所得实验结果的可见度很低,但实验结果足以证明热光可以模拟纠缠光实现类似的双光子干涉和成像现象。   自Dirac提出一个光子只能与自己干涉之后,Mandel等人用两个独立的激光器实现一阶干涉实验,引发了人们对于独立光源干涉问题的更多关注和探讨。本文首次用两个独立的赝热光源观察到其二阶关联亚波长干涉现象。在实验中发现当两个独立的光源偏振相同时,固定一个单光子探测器扫描另一个探测器,通过符合测量能够探测到类经典的干涉;在反对称方向同时扫描两个探测器时,能够探测到亚波长干涉条纹。当光源的偏振互相垂直时,则无法观察到任何的干涉条纹。论文用经典的光学传递函数和光源的统计分布对上述现象进行了简要的理论解释。   经典的光学相干层析是基于迈克尔逊干涉仪的原理,基于光场的一阶相干特性并利用非相干光源来探测物质的结构。量子的光学相干层析是利用纠缠光的Hong-Ou-Mandel干涉仪的原理,即利用纠缠光源的二阶关联特性来探测物质的结构。其分辨率比经典的光学相干层析提高一倍,而且克服了光场的色散问题。我们利用热光的聚束效应做了原理性的量子光学相干层析的实验,其结果与预期一致。虽然目前这种方法的分辨率低,但是可望用于探测宏观物体的结构。
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