亚泊松光子统计

物理学术语

亚泊松光子统计，是量子光场特有的非经典现象之一。与光场压缩态及光子反聚束效应不同，亚泊松光子统计是通过光子数的统计分布来体现光场的非经典特征的。具体地讲，亚泊松光场其光子数的几率分布要比具有相同平均光子数的泊松分布更窄，即亚泊松光场的光子数起伏要比泊松光场的平均光子数更小。

亚泊松光子统计与光子反聚束效应的最新研究进展

1.亚泊松光子统计——发展动态、发展趋势与发展方向

亚泊松光场所揭示出的特殊的光子统计性质，不仅进一步深化了人们关于光的量子本质的认识，具有重要的理论价值和重大的学术意义，而且还由于这种光场以其极低的光子数起伏在光通讯、引力波探测、光学精密计量、弱光及超弱光信号检测、以及生命系统的超弱光子辐射探测等研究领域显示出了十分广阔的应用前景，因而成为当前量子光学领域内的一个十分活跃的前沿课题。

众所周知，以Lamb学派为代表的传统的激光量子理论认为，稳态运转的单模激光在泵浦不太强的情况下呈现超泊松光子统计，在泵浦甚强的情况下呈现泊松光子统计，但在任何泵浦条件下都不会呈现亚泊松光子统计。

从1989年到1990年的两年间，顾樵博士和张纪岳教授他们两人在改进传统激光量子理论的基础上，对单光子过程单模激光场的稳态光子统计性质进行了详细的研究。结果表明：在一般情况下，单模激光的光子统计呈现超泊松分布与亚泊松分布交替变化的新特点。但顾樵博士的这些研究，只是讨论了激光上、下两能级原子自发辐射衰变率相等即ra=rb(亦即激光上、下两能级的原子平均寿命相等即τa=τb)的这一特殊情形，而对于两者不等的普遍情形未作任何探讨。

1994年，杨志勇教授（理学博士、物理学博士后）和张纪岳教授他们两人将上述研究推广到了ra≠rb?的普遍情形，从而得出许多不同于上述报道的普遍性结论。接着，在1996年，杨志勇教授和张纪岳教授他们两人又将Lamb学派的激光量子理论进一步扩展到了简并双光子、简并6光子和任意简并多光子过程。其主要研究结果如下：第一，在一般情况下，激光上能级的相对泵浦参量xa具有一个完全确定的阈值xat，当xaxat时，光场呈现亚泊松光子统计；而当xa＞＞xat时，光场将呈现出深度且完全恒定的亚泊松光子统计；第二，在特殊情况下，阈值xat=0，这时在激光腔内可直接诱发亚泊松光子统计；第三，阈值xat将整个激光泵浦区(0，+∞)分成了第一泵浦区(0，xat)和第二泵浦区(xat，+∞)两段；在第一泵浦区光场呈现超泊松光子统计，而在第二泵浦区光场呈现亚泊松光子统计；第四，随着参与相互作用的光子数目的增加，阈值xat降低，光场亚泊松光子统计的程度增强。

另外，关于这一领域的研究工作，国内外尚有其他一些报道，人们已将亚泊松光子统计的理论研究扩展到了双模光场的情形。在我国，开展激光偏转原子束并率先从实验上验证亚泊松光子统计规律的是我国著名科学家、著名量子光学专家、中国科学院院士王育竹教授；其突出的研究成就已引起国内外量子光学界的广泛关注。

笔者认为，当前及21世纪人们应将主要研究目标集中在以下4个方面：

第一，进一步开展双模及多模辐射场的亚泊松光子统计特性研究，探索模间的经典及非经典关联对光场亚泊松光子统计特性的影响，探索场—原子之间及原子—原子之间的各种非线性相互作用对光场亚泊松光子统计特性的影响，建立“多模光场—多原子”系统相互作用的亚泊松光子统计理论，并寻求产生和测量亚泊松光子统计的新原理、新方法、新技术和新途径等。

第二，研究亚泊松光辐射的时空传播特性，揭示亚泊松光场与物质原子、分子或离子相互作用的机理和规律等。

第三，开发与研制高能量密度、大功率输出的新型单模亚泊松激光辐射源，或者探索研制高峰值功率、窄脉冲宽度的(多模)超短超强脉冲输出的亚泊松激光器的可能性和可能途径。

第四，探索亚泊松激光辐射源在科学技术各相关领域中应用的最佳途径。

2.光子反聚束效应——发展动态、发展趋势与发展方向

光子反聚束效应，也是量子光场特有的非经典现象之一。光子反聚束效应是通过二阶相干度来体现光场的非经典特征的。理论研究表明：仅在单模情况下，亚泊松光子统计与光子反聚束效应这两者等价。关于这一领域的研究国内外均已有许多报道，甚至有人已经提出了光子高阶反聚束的概念。

笔者认为，当前及21世纪人们应将主要研究目标集中在以下3个方面：

第一，研究双模及多模辐射光场的光子反聚束及高阶反聚束效应。探索场—原子之间以及原子—原子之间的各种非线性相互作用对光子反聚束及高阶反聚束效应的影响。

第二，研究模间的经典与非经典量子关联性对光子反聚束及高阶反聚束效应的影响。

第三，探索高阶反聚束光的产生、测量、控制以及最佳技术应用途径等。

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