Saturday, May 9, 2015

原子启发辐射的速率随频率的三次方而增长，因此，在紫外波段或更短波长的激光介质中获得粒子; 加某种作用势场(如光束或电磁场)改变原子波包的传播相位

原子启发辐射的速率随频率的三次方而增长，因此，在紫外波段或更短波长的激光介质中获得粒子数反转是非常困难的

加某种作用势场(如光束或电磁场)改变原子波包的传播相位


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量 子光 学 的 新进展
*学科发展*
量 子光 学 的 新进展
王育竹*
(上海光机所子光学开发实验室)
[攫要〕 量子光学是现代物理学中发展极为迅速的最重要的基础学科之一， 本
文扼要地论述了它的几个主要分支学科: 腔内量子电动力学、 压缩态研究与压缩态
的量子无损测量、无粒子数反转激光研究、`光冷却气体原子与光学粘肢和原子光学
的最新研究鞋展。
子光学是现代物理学中最重要的基础学科之一， 也是当前发展极为迅速的学科o 子
光学是现代光学、 激光科学和激光技术的基础o _予光学是研究光场本身的非经典性质以及
光与物质相互作用过程中的子力学现象的一门学科，包括光场的子统计特性、光场的量子
状态以及只能采用全子理论来解释的光和物质相互作用产生的物理现象o更广义地说，与光
场的子性质有关的子现象均属于子光学研究的内容戒口最近蓬勃发展的原子光学等。
子光学的研究成果不仅有助于近代物理学和近代光学的发展，而且影响到激光科学和技术、光
电子学、非线性光学以及光通信、精密测等高技术的发展o
子光学自从 正956 年著名的 Hanbury一Brown 和 Twist 的光子相关实验发表后， 发展
就十分迅速口 经典的 YDung 干涉实验测了光子的一次相干性， 这种相干性实质上是描述
光子通过这个或那个狭缝几率幅度的干涉，但是它没有证实光子的子力学性质，而 Hanbu-
唧一B唧wn 和 Twist 的光子相关实验描述了两个光子的相关性， 提供了观察纯粹子力学效
应的可能性o 正是对这个实验的深入研究使近代物理光学对光场的子力学性质有了更深刻
更本质的认识口 在量子光学中，相干性的量子理论引导出“相干态”概念的诞生，它描述一种物
理上真实的光场子态o 而且，牛目干态表象为 子理论提供了一种用途广泛的有效方法。从相
干态研究导出了压缩态光场的新概念o迄今，相干态这个既新颖又有深刻物理含义的概念已广
泛地推广到物理学的各个领域o 在激光出现后，特别是单频染料激光器的应用，成功地实现了
用光压偏转原子束实验， 重新诱发了人们对光子具有毒J的研究兴趣o 光子和原子动传递
规律研究和激光冷却气体原子的研究极大地丰富了量子光学的研究内容。 不久前， 利用光场
的辐射压力控制原子运动的技术，成功地获得了高单色、高亮度、高准直度的原子束，并且成功
地观测到了原子的干涉和衍射现象,把光学从光波段推向了物质波段，从而开了量子光学新
的一页o 下面扼要介绍一下国际'子光学研究的新进展。
* 作者为遗开放实验室主任u
106 中 国 科 学 院 院 刊 _ 1993年
一、 腔内量子电动力学 (Cavity QED)
Parch1 (1945 年)， Jaynes-Cummings (1961 年)和 Barton (I970 年)很早就提出了腔内
子电动力学效应的理论分析。由于腔内量子电动力学的基础研究，对了解光和物质相互作用
的基本过程有着重要意义，因此，很早就受到人们的注意口 但由于早期技术条件的限制， 因而
不可能进行实验研究o 近十年来人们集中研究了最简单和最基础的系统， 即二能级单原子与
腔内单模场相互作用的研究口 德国 WahheT 和法国 HaToche 等人研究了里德堡原子在高
Q徵波腔申的_子电动力学 (QED) 现象， 观察到了原子自发辐射增强和抑制以及量子崩塌
和复苏的过程o 近两年研究工作的重点从微波波段转向光波波段， 并主要研究三方面的问
题: (1) 原子自发辐射增强的抑制及受激辐射增强现象，(2) 真空场的 Rabi 分裂，(3) Fock
态的产生和测量o
自发辐射速率的改变是由于真空场模密度的变化， 在自由空间中单位体积和单位频率的
真空场摸密度为连续的并与频率的平方咸正比o 在谐振腔中连续模谱变为分离模谱, 并与腔
的Q值成正比, 在高Q微波腔内已观察到自发辐射的增强现象口 但在光波段中， 由于波长很
短， 一般看不到自发射的增强现象o 近几年来人们提出了用微腔结构研究光波段的自发辐
射的增强和抑制，即腔内子电动力学效应o 意大利的 MaItini 用间隔在半波长级的 FFP
干涉仪作谐振腔， 观察腔内染料介质的自发辊射增强及自发辐射问受激辐射的过渡， 提出了
零阈值光振荡o 美国 Heinzen 和 CampiHo 等提出在光波段可利用共焦腔和球型腔研究
QED 效应。camp玑o 用染料液滴做微腔， 观察到低阈值激光振荡。上海光机所用固体钕玻璃
微球做谐振腔观察到增强的目发辐射和受激辐射，并得到新的钕玻璃光谱线出， 为 QED
效应的实际应用提供了可能性o QED 效应的研究将促使人们对原子(物质)发光特性有一个
更深入的了解o
原子和腔模间能耦和与交换是 QED 研究中很活跃的课题o 目前, 最感兴趣的是两能
级原子和高Q腔共振或近共振耦合o 原子和腔形成组合系统， 它的吸收光谱线由两条谱线组
成，其频率分别高于和低于未被微扰的原子共振频率和腔的共振频率， 称为真空 Babi 分裂荟
最近已观察到仅有少数原子条件下的 Rabi 分裂， 估计不久将能观察到单个原子的 Rabi 分
裂o
腔内 于电动力学研究中另一感兴趣的问题是 Fock 态光场的产生o FDck 态是光子数
完全确定的光子态,它具有极低的子噪声，是一个进行高灵敏度测和验证各种_子理论的
工具。 理论指出，单原子振荡器的光子统计分布依赖于原子与场的作用时间，在高Q腔中和低
温条件下，光子在腔内几乎不损耗能，并且热噪声也完全抑制o 当选定作用时间时， 原子发
射到腔内的光子数是完全固定的，因而可形成 Fock 态o 另一种产生 Fock 态的方法是绝热
快通过方法,当腔的共振频率快速扫频时，腔内处于高激发态的原子将射出光子并停留于基
态离开谐振腔， 若腔的损耗可以忽略时则原子射的确定数目的光子留在腔内o 这是当前力
图实现 Fock 态的另叫方法o
2 期 王育竹: 量于光学的新进展 107
二、 压缩态研究与压缩态的量子无损测I
光场压缩态是典型的非经典光场，它纯属量子力学效应o 理论指出，一单模电磁场可用两
个正交相分表示,在压缩态中一个相分的起伏被压缩而另一相分量的起伏增大，但两分
的起伏仍满足测不准关系式o 压缩态研究在 1985 年前只限于理论，而理论工作又集中在讨论
各种非线性光学过程产生压缩态的可能途径o 理论指出， 很多非线性物理过程都可以产生压
缩态光场。
1985年 AT&T 实验室 Slushef 小组首先在实验上观察到了压缩态光场， 其辐射场量子
噪声水平较相干态光场的噪声水平下降7佩 接着 IBM 的 Shclby 小组、 MIT 的 Kumar-
Sh珏piro 小组等利用不同的方法得到光场的压缩态o 特别是加州理工学院 Kimble 小组于
198三 年利用环行稳频 Y遮G 激光器进行内腔倍频， 以此输出作为 0Po 腔的泵浦光进而得
到噪声水平较真空噪声水平下降了 63% 的压缩光。
日本的 Yamamoto 提出利用振幅负反馈产生振幅压缩态(粒子数态)光场o 这种方法是
将激光输出的随机起伏经理想的光子探测器负反馈到半导体激光器的直流偏置上。 理论指出
反馈环路中不仅剩余噪声可以压低， 而且子噪声也可压缩o 实验证明它的光子统计是亚泊
松的，仅存在于反馈环路中,不能引出使用，这是因为光束分束器起破坏亚泊松分布的作用。但
是采用辜子无损探测器代替光分束器时， 则可在环路外观测到 Fock 态光场。 最近， Yama_
moto 又提出了利用相关性好的电子流激发半导体激光器产生亚泊松光子统计分布的激光束，
这种压缩态光束可在开放光路中得到，无需用 QND 预旺，因此，具有重要的应用前景o 实验
上利用驱动半导体激光管电源中的电阻所产生的负反馈，将子噪声压缩 B责%o 上海光机所
在两个串联的半导体发光管中得到压缩子噪声万% 的振幅压缩态光场。 在这项工作中，从
一个发光管取出噪声信号反馈到公共电源，由于两个串接发光管的光场声存在量子相关性，
因而可压缩开放光束的'子噪声o
量子无损探测是压缩态光场研究的重要课题， 它提供了一个不使压缩态光场性质`ˉ受破
坏的探测方法。 在这类探测方法中，最重要的是在探测过程中不产生也不吸收光子o 最近，法
国的 Haroche 提出利用离共振时能级移动与腔内光子数的关系探测光子的状态o 在离共振
时能级的移动与腔内光子数成正比， 而能级的移动导致了原子经谐振腔时原子叠加态的相位
移动,这种相位移动可用 Ramscy 分离场方法探测出来o 另一种子无损探测压缩态光场的
方法是利用原子束探测光场性质的方法，若原于束穿越光场的时间远小于原子激发态寿命，这
时原子在光场作用下可吸收光子和受激发射光子，但光场的能量不变，而原子的动分布却发
生了变化，并且与光场的状态直接相关o 因此可通过测工原子动分布来判断光场的状态，这
样可实现光场的无损测垂一 这是当前重要的研究课题之一o
三、 无粒子数反转激光研究
无粒子数反转激光研究是近几年在子光学研究领域中重要的课题之一o众所周知，原子
启发辐射的速率随频率的三次方而增长，因此，在紫外波段或更短波长的激光介质中获得粒子
lDS 中 国 科 学 院 院 刊 里993 年
数反转是非常困难的o无粒子数反转激光研究为获得短波长激光提供了剂个新的途径o很多作
者提出了出系列的无粒子数反转激光的可能方案o 很多方案是建立在 Faan 干涉效应的基础
上和利用外场使原子在场中的吸收和发射谱改变,完全不同于裸原子吸收和发射的情况,以趸
于在不存在粒子数反转的条件下可以获得对信号的放大增益。 例如在A结构的方案中， 首先
要建立相干叠加态，由于相干态的存在使得基态原子处于柏干柱子数囚禁条件o 因而，从这些
态上吸收光子到激发态是不允许的，而从激发态发射光子却是允许的,这时激光发射不取决于
粒子数反转， 只取决于激发态上的粒子数o 吉林大学物理系观察到了无粒子数反转介质中的
放大现象o
四、 激光冷却气体原子与光学粘肢
激光冷却气体原子是近十年来发展非常迅速的研究领域o 激光冷却的念是由美国斯坦
福大学的 H珏nsch 和 SchawioW 于1975 年提出的， 其物理思想是利用激光的光子动量传递
给原子，形成辐射压力阻尼原子的热运动，使原子气体的温度降低o 自从激光冷却气体原子的
概念提出后， 光的力学效应研究受到了物理学家的高度重视o 因为利用电磁辐射压力影响和
控制原子运动本身就是一个十分有意义的研究课题， 同时激光冷却原子又为物理学研究提供
了一个新的研究对象一超冷气体原子o 激光冷却气体原子实质上是研究原子在光场中光子
霏如何传递给原于， 而原子又如何将动传递给光场的o 在这种光子动传递过程中就形
成了光场对原子的各种力学效应，如自发射力、感应辐射力(或偶极力)，迟后偶极力，整流力
和动扩散等力学现象。 利用这些力可以冷却、 加热、 偏转、准直和聚焦原子束等o 1985年
美国的 Phinips 小组和 leu 小组首先实现了激光冷却原子柬实验, 并且得到了极低温度
(240#K) 的 Na 原子气体o 更进一步他们用三维激光束交汇卡空阉一区域， 在这个区域内，
原子受到各种辐射压力的作用，其运动受到阻尼，原子如同在“光子胶水”中运动日样， 处处受
阻尼从而滞留在这个区域内， 这就是著名的“光学粘胶% 在光学粘胶中人们得到了比理论预
盲“多普勒冷却极限”更低的温度， 这个问题便成为近年来研究的一个热点o 围绕这个问题的
研究发展了很多激光冷却的新理论，这些理论的共同点是考虑原子是一个多能级的系统，原子
的内部动态过程参与了光场和原子的动传递。 原子运动时， 原子的内能态不能绝热的随外
部场的变化而变化， 导致了附加的阻尼力， 因而可获得更低的冷却温度o 根据光场的不同结
构，提出了多种可以得到深度冷却的新机制: 如偏振梯度冷却、 磁共振冷却、叠加态粒子囚禁
冷却和势垒中原子气体的绝热膨胀冷却等等o 从理论上和实验上研究这些新的冷却机制是当
前重要的研究课题o 近几年人们用已冷却了的原子在光场的作用下产生速度选择性的相干粒
子数囚禁，因为只有原子速度近于零的原子才能满足囚禁条件，利用这种方法已获得动低于
十分之一个光子羞〕的原子气体o 又如利用原子在势垒中运动过程的绝热膨胀也得到了小于
一个光子理〕的原子气体o 研究这种超低温的气体原子的物理性质将对物理学的发展产生革
命性的影晌o
光冷却离子也是一个重要的研究方问o 离于用高频陷阱或 Penning 陷阱囚禁在一个
很小的区域内， 用激光冷却技术可把离子冷却到极低的温度。 冷却了的离子可以长期囚禁于
陷阱中，可供进行各种研究，如原子频率标准，光子反聚束研究和结晶过程的研究等，并已得到
2 期 王育竹: 量子光学的新进展 !09
了很好的结果o 特别是利用离子陷阱技术是最有可能获得高稳定度的频率标准， 这种高稳定
度的频标对国防和科研有着重大的价值，因此受到了各国科学家的高度重视o
五、 原子光学
近叫年来, 原子束技术的发展和激光冷却技术的应用， 使得人们有可能研究物质波的衍
射、干涉等的一系列的类似光学的现象，从而使近代光学进人了一个崭新的研究领域, 即原子
光学。 ′
量子力学的一个最基本的概念是物质波，称之为德波罗意波,所有的物质都有两性， 即-
波动性和粒子性o 以往在原子物理研究中人们只考虑原子的粒子性， 近年来激光冷却原子技
术和原子束的速度单一化技术的发展，使得人们能够研究原子的波动性，即原子光学o 在原子
光学中，时间依赖的薛定愕方程形式上类似于经典光学中的标亥姆赫兹方程，即在原子光学
中波包传播的描述非常相似于经典光学中的描述。 因此， 当原子通过微加工的光栅结构时或
周期性变化的光场时，会产生干涉和衍射等一系列与经典光学类似的现，但在原子光学中这
些现象是很难被观测到o 这是因为粒子的波长比经典光学波长要小几个数级， 常温下约为
D」盈o 同时，在通常的原子束中，相干性和束流强度仍远低于观察到干涉现象所要求的条件。.
只是近一年来，利用超声束技术、激光冷却技术和激光控制原子的技术等使得上面的条件能够
得到满足o
目前原子光学研究中最核心的问题是观察原子波包的干涉现象和研制原子干涉仪o 原子
干涉仪不同于电子干涉仪和中子干涉仪，它具有内能态，可与光场相互作用， 这点使干涉仪具
有更重要的应用价值o 从更普遍的意义上讲， 在干涉仪中原子初始是处于某一能态 ]革〉上，.
然后经由某种势垒的散射而进人了复合态 c‖〉十蠡‖〉, 复合态的这两个分相互间可能发
生波包位相的相散, 最后由另一势垒散射而在某能态上重合， 例如 H〉或‖〉态上， 重台时就
产生了波包的干涉o 散射势垒可以是晶体表面、透明狭缝或金栅格，也可用驻波场形成原子
相位光栅或行波光场 (即利用原子 Kapitza-Diracˉ效应)o 原子具有外部空间运动的自由度
(如质心的运动或自旋) 和内部运动的自由度 (如原子处于各种能态上的运动)， 因此干涉过
程可纯粹是由于外部质心运动状态的变化产生， 也可能是内部状态变化所产生， 或者两者混
′凸.b
德国 K口nstanz 大学和美国 MIT 分别用双狭缝和周期栅格光栅观察到了氦原子和钠原
子物质波包的干涉现象o 这些实验完全相似光学的双缝杨氏干涉实验和光栅衍射实验, 如图
1和图2所示， 它们相同于电子或中子干涉实验o 实验中利用超声束技术得到单色的和强束
流的原子束，经过第一狭缝的散射， 形成相干原子束流o 然后，相干原子束流照射双狭缝或金
属栅格产生衍射， 则原子波包在其后的一个平面上产生干涉o 探测原子在空间的分布， 即可
观测到原子干涉图形。 这类干涉仪的特点是原子质心在干涉仪中经历的途径在空间上完全分
开，因此可在一条途径上加人某种作用势场(如光束或电磁场)改变原子波包的传播相位，观察
干涉条纹的变化来研究势场对原子的作用,另时类原子干涉称为光学原子干涉仪，它完全不同
于电子和中子干涉仪， 它不要求原子质心的运动在空间上完全分开， 它是通过对原子状态的
探测来观察干涉现象o 图 3表示两对相反方向传播的四光束原子干涉原理图。 以实线途径为
2 期 王育竹: 量子光学的新进展 ln
激发态 (毒跑一露制， 但运动方向向下偏转， 然后经飞行D距离后在第三光场重合(见图 3)，第
三光场起到原子波包干涉的作用,只需探测激发态上的粒子数，即探测荧光强度就可给出干涉
条纹o 若在激发态上波包重合， 则探测到的荧光最强占 若波包完全分开找到原子在激发态
的几率为零， 则荧光最弱o 由波包分离的大小或相差 本申 的大小与光频率的失谐有关
cos(彝(P) =cos〔2T(盈一a)〕，T 为在光束间飞行的时间， 乙 为激光频率对原子共振频率的失
谐 ， 盘为光子反冲频率， 改变激光频率即可观测到 珏am晒y 干涉条纹D 当有各种势场作用
于原子的能态时，就可看到干涉条纹的移动，用以研究势场的作用o
原子干涉仪在科学技术上有着巨大的应用价值o 由于原子具有复杂的内部结构， 而且对
各种势场非常敏感，因而用它可作各种势场的精密测，特别是用以测霏弱作用力的实验， 如
研究原子的纯荷电、“第五”力实验、验证广义木目对论和验证子力学等o 原子干涉仪又是一
个精密的惯性敏感器，因而可用于油井定位、 新型原子导航仪、精确测j引力场加速度及二次
加速度、测 Sagnac 效应〈旋转干涉仪时)，利用光场与原子作用可测 A_C.Stark 效应、自
发射的测及子 Beny 相位测和 Aharonov-Casher 效应研究等。 原子光学的另一个
应用是研制原子显微镜o 由于原子的德波罗意波长楹短，因此仅有几盂大小的焦斑，用以探测
物体表面，可以获得极高的分辨率。 这种显微镜对所研究的表面损坏最小，因为原子不像电子
带有电荷，也不像申子具有很强的穿透能力，原子的能可小于leev, 对表面探测不产生损
伤o
原子光学是一个非常年轻的研究领域， 由于它具有非常丰富的研究内容和非常重要的应
用价值，已吸引了大批科学家从事这方面的研究，因而发展楹其迅速口 可以预计， 在不久的将
来原子光学研究将会有突破性进展，它不仅使人们对原子物理有H个更深刻的了解，而且推动
人们在更深层次上认识基础物理的规律， 也必将影响到科学技术的深远发展o 从高技术的角
度看，原子光学也将提供新的精密测技术和仪器，推动高技术的发展。 光学这门古老的学科
将在原子光学研究领域内重新焕发青春o
启发辐射的速率随频率的三次方而增长，因此，在紫外波段或更短波长的激光介质中获得粒子
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