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Sandbox Physics
受控光与精密测量

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Glauber 怎样把光学相干推向光子计数

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光谱和干涉条纹看不出来的,光子符合计数能看出什么?

  1. 准备光源
  2. 分束或取样
  3. 记下每次探测的时刻
  4. 比较符合计数与单路计数
测量只统计探测器的计数,不追踪单个光子穿过干涉条纹的路径。

干涉条纹只检验一阶相干

把一束光分成两路,让一路晚一点到,再叠起来。条纹的明暗反差告诉我们,前后到达的光场振荡能保持多稳定的关系;这叫一阶相干。两种光源的光谱可以很接近,条纹反差也相近。光谱说的是各频率分到多少光强;它们的光子到达统计仍可能不同。

Glauber 在 1963 年提出逐阶的场关联,描述这些差别。2005 年的奖表彰的是这套把相干性与探测统计联系起来的理论。各项光子关联实验仍各有实验贡献;窄线宽激光是否接近理想相干态,还要看它的光子统计。

来源:[2][3]

锁住相位,回答的仍是一阶问题

一束微弱的参考光,可以让另一个振荡器的相位不再不停跑开。它跟着参考光的频率走,却可以保持一个不为零的相位差。超过锁定范围,相位又开始一圈圈滑移,接收器便看到拍频。这就是注入锁定,它控制的是两束场的相对相位。

相位锁住以后,光子怎样成对到达,还得继续测。稳定相位差和窄拍频谱描述场与参考光的关系;符合计数问的是探测事件怎样一起出现。Glauber 的逐阶关联把这两种问题放进同一套理论。

几台放大器共用一个焦点时,也能看到这种区别。调好每束光的整体相位,原先散落到别处的光就能更多地聚到中心;光束方向和各路功率仍要分别调整。Dong Zhi 等人在 2017 年的七通道实验里,比较了锁相和单独的指向控制,两者都会影响焦点集中的功率。这里测的是光场怎样干涉;光子怎样成对到达,还要做符合计数。

来源:[4][3][5]

符合计数要先选定延迟

把一束统计性质不随时间变化的光分成两路,数出到达时间差落在选定延迟分箱内的所有探测事件对。如果两路独立到达,预期符合数就是两路计数率、采集时长和分箱宽度四者的乘积。实测符合数除以这个预期值,才得到无量纲的、分箱平均的关联。这个连续光估计要求延迟远短于采集时长,死时间损失可以忽略;脉冲实验要按重复周期和探测门另定归一化。

第一行分子是该延迟分箱的符合数;分母依次用两路每秒计数率、以秒计的采集时长和分箱宽度。分箱太宽、箱内关联变化明显时,这个平均值不能当成箱中心的值。

对理想单模光,零延迟的归一化关联可以用光子数写出来。减去一,是因为只数同一模式里两个不同光子组成的对。平均光子数必须不为零;没有光,也就无从归一化。

g(2)‾(τ)≃Cτr1r2T Δτg(2)(0)=⟨n(n−1)⟩⟨n⟩2\begin{aligned}\overline{g^{(2)}}(\tau)&\simeq\frac{C_\tau}{r_1r_2T\,\Delta\tau}\\g^{(2)}(0)&=\frac{\langle n(n-1)\rangle}{\langle n\rangle^2}\end{aligned}

来源:[2][3]

一、二、零只是理想极限

理想相干态的探测事件没有额外的抱团倾向,给出一。单个热模式只有一种独立起伏的光场形状,计数更容易凑在一起,给出二。理想单光子态在这个模式里只有一个光子,配不成一对,给出零。这些都是模型极限;许多独立热模式混在一起,探测器分辨不开时,测到的聚束会变弱。

计时分辨率、死时间、背景计数和后脉冲,也会改变实测直方图。看到峰或谷,要拿仪器响应和采集窗口来对照。判断光子源,要同时考虑计数统计和标定过的探测器响应。

来源:[2][3]

相干光不一定是单色光

Glauber 的摘要明确写道,相干光场不必是单色的。各频率成分相位关系固定的短脉冲,本身就含有一整段频谱。反过来,把热光滤成很窄的一段,它的计数统计也不会因此变成相干态那样。

激光还可能因为接回了先前的光场而出现复杂频谱。过去的振荡与当前光场干涉。光强改变,材料释放预先储存能量的快慢也会变。延迟和回返相位就可能维持振荡或不规则起伏。即使没有加入光子噪声,描述光场与储存激发能量的经典方程也会出现这种动力学。展宽的光谱描述这些变化的场;探测计数是什么统计,还要实际计数。

Michelson 一文测的条纹可见度,可以和这里的光子计数接起来读。一阶实验和高阶实验问的是同一束光,问题不同,但彼此相容。

来源:[2][1][3][6]

计数更久,差别才看得更清楚

多计数一段时间,有限探测事件带来的起伏就会减小。延迟分箱变宽,能收进更多事件对,也会把关联曲线上更大一段平均到一起。解释实测的峰或谷时,要把光源统计和探测器的计时能力放在一起看。

来源:[2][3]

来源与阅读说明

读了 1963 年论文的作者摘要,以及托管期刊重印本中诺奖演讲的关联和光子计数部分。有限分箱的归一化另按连续平稳计数推导。没有数字化历史直方图;光子数极限只是理想参考计算。

  1. A. A. Michelson, Recent advances in spectroscopy (1907), length standards and visibility

    读的是 Columbia 托管讲稿中比较长度和条纹可见度的部分,重点是第 171–175 页。官方 PDF 返回 403。 阅读托管原稿

  2. R. J. Glauber, The Quantum Theory of Optical Coherence, Phys. Rev.130,2529 (1963)

    读了作者摘要:关联函数的层级、延迟符合,以及相干并不要求光是单色的。没有使用出版商全文。

  3. R. J. Glauber, One Hundred Years of Light Quanta, Nobel lecture (2005), ChemPhysChem reprint (2006), pp. 1632–1638

    核读托管期刊重印本的一阶、二阶相干,正规序探测以及相干和混沌光计数部分。本文的有限分箱归一化另按平稳计数推导,不是照搬历史数据处理。 阅读托管原稿

  4. Liu et al. (2015), Injection Locking of a Semiconductor Double Quantum Dot Micromaser

    读了作者稿中的 Adler 相位方程、平方根锁定范围与频率牵引讨论。论文的微波器件不是 Lab 所画的光学装置。

  5. D. Zhi et al., Scientific Reports 7, 2199 (2017), phase-locking and tip–tilt validation sections

    读了索引提供的原文锁相与指向控制部分,重点是图七、图九对应的比较。教学模型使用四通道出瞳和逐路标量抖动,不复现其七通道实测装置。

  6. F. Rogister et al., Optics Letters 24, 1218–1220 (1999), equation 1 and normalized variable definitions

    读了归一化的延迟复光场、载流子方程及动力学变化说明。实验只保留一条回返延迟并使用示例参数,不实现论文的双反馈稳定方案,也不模拟光子计数测量。

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