光具有波粒二象性。光子是量子化光场的基本单元;量子光场遵循量子力学的规律。光子器件、光子系统等均是利用了光的量子特性和量子效应才显示出异彩纷呈的优良特性。因此,光子学虽然是一门更侧重于技术的学科,但它的基础是量子光学。量子光学侧重于理论,是光子学的重要组成部分。量子光学中的效应、规律、理论等将不断地为光子学的发展开拓新的途径,产生新的突破。 3 {4 M6 G0 w! r# M, ^$ K 量子光学主要研究光的量子与相干性质,以及光场与原子相互作用中的量子现象,其内容涉及到光的各类非经典效应(诸如:光场压缩态、亚泊松分布、反聚束效应等等)、光子发射与散射及吸收机理、原子冷却与俘获等方面。% j/ T9 n p6 i# E2 V * z. U1 U \3 \) p# s8 l/ Y 当前,量子光学的重要研究领域有:光场的量子噪声、光场与物质相互作用中的动量传递、腔量子电动力学等。
1, 光场的量子噪声
光场的量子噪声在光子学及其诸多的应用研究中占有重要的地位。量子噪声与光放大、光探测等类物理过程紧密相关。若在每一个模式中的光子数很大,则足可以用光的经典理论来描述;反之,若每一个模式中有一个或少数的光子时,就必须考虑量子噪声的影响。为了克服或xx量子噪声的影响,人们卓有成效地进行了诸多方面的研究。9 w. i$ Q' d, p: ?9 [ 3 N& \2 e7 K+ u1 O/ J# c, ]' Z. U (1) 光场压缩态的产生和应用
随着认识的深入,人们已经发现有三类光:一是混沌光,它是由自发辐射过程产生的光子构成的,给出的是{zd0}噪声的光场;二是相干光,即激光,具有很低的总噪声,并称之为真空噪声;三则是由非线性过程产生的非经典光,如压缩光、光子数态光等。 6 i7 S" Z4 k( L# P$ H 由于压缩态中可以使光场的某个正交分量具有比相干态更小的量子噪声,以致突破散粒噪声极限;因此,在光通讯、高精度测量等诸多应用中具有极为重要的实际意义。 2 g" t# N) m; B) l3 h 自1985年首次在实验中获得压缩态光场的近十多年来,世界各国的有关实验室在光场压缩态的获得和探测等方面进行了卓有成效的研究工作,已实现了正交位相压缩、强度差压缩、振幅压缩等。目前,国内外有关实验室的注意力和兴趣点已转向压缩光的应用方面。其中,最引人注目的两个方面是:利用压缩光进行低于散粒噪声的高精度测量和利用压缩光实现与原子的相互作用,特别是实现与冷原子的相互作用。关于压缩光本身的研究,其重点已转向压缩光产生装置的小型化和实用化方面。' g1 Q" @. d2 T6 T ^* c
如上所述,当原子被冷却到1?K时, 其德布罗意波长为微米量级,原子的波性将明显地表现出来。实验上已观察到原子经驻波栅或原子镜产生的布喇格衍射和反射,并因而导致一门新的分支学科—原子光学的诞生,包括原子的“几何光学”与“波动光学”。近年来,由于通过激光冷却与俘获实现了BEC,从实验中观察到可区分粒子(如原子—光子对)的非定域纠缠,以及许多不可区分原子的量子统计效应,进一步激发了科学界研究原子光学的热情,不断发展原子光学的新领域。除了基础研究的意义外,原子光学可在原子干涉仪、原子平版印刷术、海森堡显微镜、物质结构研究以及纳米结构产生等诸多方面获得广泛应用。- l6 D& G' s n8 U9 |0 V% I! ]$ I, ]/ D
3, 腔量子电动力学; t2 Q, S+ P7 q, a0 j4 `) s * }+ m; r) ]- Q 瞬时自发跃迁是量子世界中的普遍现象,小型腔中的原子辐射特性与自由空间中原子的情况xx不同。腔量子电动力学(C-QED)即以原子与光子在小型谐振腔中的相互作用为研究对象;最初,主要研究工作主要集中在里德堡原子与毫米波的相互作用方面。1987年W.Jhe等将原子物理范围内的C-QED研究拓展到了光频范围,相继观察到了腔诱变频率漂移、原子在高Q腔中的真空Rabi分裂等现象。同时,C-QED的概念应用到了半导体物理领域,微腔半导体激光的理论基础就是微腔QED效应,在这方面人们已作了大量的理论与实验工作。在微腔半导体激光器中发现,自发辐射系数得到了增强,泵浦阈值可以大幅度降低,同时光子流噪声也可以降到标准量子极限以下,产生光子数压缩态光场。
A 研制实用化小型压缩光光源——压缩器;- M `- T6 o% a5 V2 K 4 x- ^" J. U+ s% [7 d6 T, m B 利用压缩光进行低于散粒噪声极限(SNL)的超高精度测量;
C 研究压缩光与冷原子样品相互作用的非经典物理现象。; ]7 n' P4 j; T . ?) `0 t Z$ k2 N$ t7 F (2) 原子冷却与俘获的基础及应用研究 ! E. |' a. A5 G4 r, ~$ ^+ S3 F (3) 原子光学的基础研究7 X0 V8 \. W+ x$ l& T* M, i) k 9 d, s6 }4 n+ z (4) 腔量子电动力学及其应用研究
(5) 光子定域、光子带隙结构及光子晶体的研究 9 G# U, H/ H, L8 m7 f 2.1.2 光量子信息科学* H2 m s c6 P3 D; H1 D
2.1.3 分子光子学+ G6 L' J" q2 w6 A 3 ~! K4 B P6 Z& p6 h 分子光子学是以分子或其组合体中光子的产生、传输和检测等为研究对象的一门分支学科。分子组合体是指分子间弱相互作用结合的体系,它可以是同种分子的组合,也可以是不同分子的组合。利用分子设计,可以组装并实现具有各种功能和特性的分子组合体,诸如提高对光子的捕获能力、提高荧光强度、实现对生物功能的模仿等。一般来讲,研制分子光子器件所须设备相对便宜,制造工序相对简单,因此近年来分子光学的研究倍受关注,已成为光子学的一个重要学科分支。
1, 限域腔(量子阱、量子点等)中电子态的量子电动力学6 r% d! G+ H( `" r3 T% c + E% w0 ?: G) C; o/ k8 w 限域腔(量子阱、量子点等)中电子态的量子电动力学是分子光子学的理论研究基础。许多分子光子器件中,分子组装常常是量子阱或量子点结构,因此研究这种结构体系内电子的量子性质与输运特性,对认识和了解介观尺寸物质现象与性质以及发展分子光子学器件与系统均有重要意义。当前,人们得已开展了诸多有意义的研究工作,如:
(1) 制备和组装有应用前景的各种材料、各种构型和尺寸的量子限域腔; . @/ ]' z3 n5 L* j! J$ B (2) 探索由单个限域腔组装成线状、平板状或者块状限域腔集合体的耦连机制; " L0 K: f% S( f4 Q- C w (3) 对限域腔的量子效应(包括限域电子的条件、电子的能级结构及电荷密度分布等)及其应用的研究;- s% M4 {/ l& _2 Z # T6 S% l- g2 @, c6 F (4) 对限域腔的量子电动力学效应(包括在限域腔之间电子的输运动力学过程等)及其应用的研究;4 ^+ `/ a8 k3 i8 d% R+ \ : o1 z; D0 Q7 n. q. v( D (5) 对限域腔光谱学(包括限域腔的光发射、光吸收、光电离等光与限域腔的电子的相互作用)及其应用的研究。, H, h3 C6 T( }8 s2 S0 H9 E0 {5 ^1 _ 2 K) H" a$ j# v/ j% h 2, 有机—无机界面对光量子的增xx应7 {5 f2 p. c) K& X# M6 P7 i8 N 7 N4 _/ s' L+ @* @, {0 f 二十多年前,人们首次在电化学池中的银电极表面上观察到了吡啶分子喇曼光谱信号的增强(SERS)效应,其散射截面比普通吡啶分子的散射截面增大106倍。这一现象的发现立即引起了科学界的广泛关注。而后又相继发现在金、铟、锂、钠、铝、铂、钛等金属表面和一些半导体氧化物(如NiO、TiO2等)的表面上对有机分子喇曼信号均有增强作用,还发现一些氧化物半导体纳米颗粒对有机分子发光的增xx应等。
在理论上,人们提出了许多模型解释增强的机理,但是到目前为止,尚无一种完整的理论能对实验作出圆满的解释。当前的研究工作主要集中在以下方面:# l) v- w& `2 i: N1 [/ q% j6 E - ^; H2 ^$ O* _ K1 T# w (1) 利用纳米加工和纳米表征技术制备具有确定粗糙度的纳米表面,进而研究这类表面对有机分子光谱增强的规律性,包括对喇曼光谱、吸收光谱、荧光光谱、光电压光谱等的增强规律性的研究; ; V: n6 m/ M( I: F) B% a1 Z. t (2) 研究有机分子和纳米粒子的组装体结构对输运光量子的增xx应;' ~8 F. _% s. U7 J: U% i1 H t6 K6 `2 ?
光子学器件通常有多个组分层来组成,层间形成界面态。界面态对电荷的输运和复合有重要的影响,因而也影响了未来光子器件的性能。至今,对大多数界面状态了解得尚不十分清楚。 0 C( q# Y& S0 \4 G% O* f( I 通常采用表面光电压技术、电容—电压法、小角X射线衍射等方法来研究界面状况,对于分子光子学器件还需要发展新的研究方法。& R9 D& N# Q6 ~" d8 }: O. w* a
(3) 在光场作用下分子的光致异构、取向、重排等物理运动过程 : Q2 q! V* M+ H. q: e (4) 发光器件的失效机制0 V2 |$ G2 I2 c ]- H, O 3 U1 e( o5 { M* | 4, 光电和电光转换原型器件研究 ( r0 W1 V0 Q4 {9 I7 {8 Q% X* ` (1) 纳米生物学启示& ^ F: f \8 B( Q* C% U" d
光生物学的研究发现,功能性的亚单位均为纳米尺度。例如,嗜盐菌中的光敏蛋白(BR),在光作用下有质子泵功能,可产生300毫伏的跨膜电位。在生物进化的历程中,又产生了紫色xx。光诱导的是质子泵,可产生800毫伏的跨膜电位。另外,产生的绿硫xx光诱导跨膜电位也达800毫伏,而且有放氧机构。重要的进化步骤是绿色高等植物的产生。实际上它是紫色xx膜蛋白(即光合系统Ⅰ)、绿硫xx膜蛋白(即光合系统Ⅱ)在细胞膜上借助多个电子传递链亚单位和接收光子的天线亚单位偶链构成的,具有双步光子功能的光敏体系。这些事实预示着分子组装思想在分子光子学研究中可能发挥重大作用。最近,美国橡树岭实验室利用光合系统Ⅰ实现的二维表面上的组装,已获得光量子效应极高的光生电压效果,这无疑对分子光子学的研究有重要启示。8 Z Y9 |: {4 `+ c 5 R- s- d& u, }4 x3 \# L- i (2) 电致发光器件发光性能的研究
(1) 飞秒激光脉冲产生的四类器件, s* ]$ b P% D# _ Z$ U 5 t5 n5 d* W4 G7 d) B" ? 目前已有四类激光器可用于产生飞秒激光脉冲,即:% O* j: }) _. m$ E! H; D: ?3 z
A 飞秒脉冲染料激光器 可借助碰撞锁模方式获得飞秒级超短激光脉冲。目前,在可见光波长范围很有竞争力;" |$ q: Z. A+ M* Z7 ~+ ~7 c % @; S/ t7 M% R, [8 S) r" G5 L B 掺钛蓝宝石、镁橄榄石、CriSAF等固体介质的飞秒脉冲激光器. 可通过稳定的激光自锁模获得飞秒光脉冲,简单、实用、可靠,并有十分宽的调谐范围;
C 飞秒半导体激光器 多量子阱半导体激光器的成功是产生飞秒激光脉冲的关键。多量子阱半导体具有高增益、宽谱带、低色散以及强的非线性增益饱和与非常快的恢复时间等优异特性,因此能轻易获得高重复频率的飞秒激光脉冲,并将碰撞锁模、吸收与增益饱和、色散补偿等俱于一身,使器件小巧实用;" _0 c: T& B! f/ M( Y; a, ` ' Z7 C1 V; i |: X! u D 飞秒光纤激光器 近年来,以掺稀土元素的SiO2光纤基质为增益介质已研制出各种光纤激光器,再进一步通过主动、被动锁模或借助光纤所具有的独特的孤子效应,即可使之处于脉冲运转状态,产生飞秒激光脉冲。这种飞秒激光器的特点是全光纤结构,小巧、高效,与传输光纤兼容,因此更有重要的实用价值。1 f% T9 T0 H+ m4 T3 A0 N5 z
上述四种飞秒激光已基本覆盖了从紫外到中红外的波长范围,飞秒激光脉冲宽度可达7fs。/ l, }7 U/ a) K; l : r6 J W/ N0 r- C3 C (2) TW(1012瓦)飞秒激光系统2 U. ^" t0 f$ i5 T# V" p" y , B/ ?0 B8 P9 ` Y q 飞秒激光器输出的单个脉冲能量一般在0.1nJ~10nJ,对应的峰值功率则在103W~105W。为了提高峰值功率,发展了飞秒激光放大技术。按重复率划分,有两类放大技术:一是低重复率(1Hz~10Hz)的,一类是高重复率(1kHz~10kHz)的;放大后单个脉冲的能量分别可达10mJ~1J,和10?J~1mJ;峰值功率分别为1010W~1013W和107W~1010W。近年,发展了啁啾放大技术,在钛宝石激光器中已获得峰值功率达1013W的结果。经聚焦后,峰值功率密度可达1018 W/cm2~1020W/cm2,即达到和超过原子的库仑场强。 0 W3 z3 _+ S9 b: Z$ Q! e! E3 L 2, 超快光子学中的超快过程与超快技术
飞秒激光的发展与超快过程的探测息息相关,它为我们提供了一种时间分辨率高达10-15秒的光探针,使得我们有可能了解原子、分子的结构及其超快运动过程。通常的规律是:能探测运动过程的速度越高,对微观世界在空间的认识上则越细微。因此可以说,获得的激光脉冲宽度越窄,能促使我们研究物质微观世界的层次也就越深。这样,用超快技术研究超快过程成了超快光子学的主要任务之一。5 H* q' }9 B+ W1 M
目前,对超快过程的研究表现最为活跃的方面有:5 @& Q, v8 {2 D7 I; Y( ~ + r' O: I: v0 X7 r (1) 飞秒半导体物理
对埋藏在高度散射介质中的物体的光学成象研究是一个颇具意义并富有挑战性的课题,原因在于它潜在的生物学及医学方面的重要应用前景。近来,以超短光脉冲技术为核心的时间分辨方法,被证明是一种实现高散射介质中物体成象的有效途径。它通过提取带有信息的弹道光子和蛇形光子,进行相干选通,实现成象脉冲的测定。时间分辨率取决于入射脉冲的宽度,采用飞秒光脉冲时,其时间分辨率将达到10-15秒量级。0 a# V: [: N, B: S
3, 超快、超强激光物理 , B+ p* n& @' ? 目前TW级飞秒激光脉冲经聚焦后产生高达1014V/m以上的场强,这相当100倍于氢原子对其基态电子的库仑场强。如此高的场强足以在几十到几百飞秒时间里,能够将原了的几乎所有电子剥离,使其处于高剥离态。如此高的场强又足以能在一个光学周期(~2fs)内将剥离的电子加速到相对论速度。在这样的极端条件下,电子、原子、离子、等离子体的结构状态等表现出许许多多奇特的物理现象与新的运动规律,而且在其后还将孕育着诸多重大科学技术的新突破。+ o9 j7 B9 r# A' T5 }- L8 L3 \) `# d * {/ _$ @ k' g0 V- ` (1) TW飞秒激光在传输介质中的SC效应2 ^6 m) _4 R, b0 x7 q6 m5 X