量子光學檢視原始碼討論檢視歷史
簡述
量子光學是應用輻射的量子理論研究光輻射的產生、相干統計性質、傳輸、檢測以及光與物質相互作用中的基礎物理問題的一門學科。量子光學一詞是在有了激光後才提出來的。量子光學 quantum optics 以輻射的量子理論研究光的產生、傳輸、檢測及光與物質相互作用的學科。到了19世紀，特別在光的電磁理論建立後，在解釋光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等與光的傳播有關的現象時，光的波動理論取得了完全的成功（見波動光學）。19世紀末與20世紀初發現了黑體輻射規律和光電效應等另一類光學現象，在解釋這些涉及光的產生及光與物質相互作用現象時，舊的波動理論遇到無法克服的困難。1900年，M.普朗克為解決黑體輻射規律問題提出能量子假設，並得到黑體輻射的普朗克公式，很好地解釋黑體輻射規律（見普朗克假設）。
評價
至於光與原子的相互作用，最基礎的莫過於自發輻射與受激輻射了，一處於受激態的原子，由於外場作用，發射出一個光子，躍遷到基態，這叫做受激輻射;若沒有外場作用，原子也會自發輻射出一個光子回到基態，這叫做自發輻射。雖然按半經典理論的量子力學微擾論能導出吸收係數與受激輻射係數。但要導出自發輻射係數就要用到經典場的阻尼振子概念，如果輻射場也進行量子化，就導致一個經典場所沒有的零場起伏能量，由於零場的作用，使受激態原子自發輻射出光子回到基態。此外，由於場的量子化，又出現一個虛的躍遷過程。在圖3a所示的實過程中，電子由高能態2躍遷到低能態1，並輻射出光子hv；而圖3b所示的虛過程則是電子由低能態1躍遷到高能態2，也輻射出一個光子hv。能量似乎不守恆了，但作用時間很短，並不違背量子力學中的測不準關係，考慮到虛過程後的原子能級移位計算，與實驗符合很好。 與自發輻射緊密聯繫的便是輻射的線型。最早關於原子自發輻射線型的計算是假定了原子處於激發態而外場為零。其實如果不是外場的作用，原子又怎樣到達受激態的呢？只能說外場很弱，對輻射線型的影響可略去不計，這就很自然地提出當激勵的外場很強時，原子輻射的線型又是怎樣的問題，這對場的量子化理論也是一很好的檢驗。藉助原子束技術和可調諧的激光技術，已完成對鈉原子共振躍遷的實驗與理論驗證。與熟知的洛倫茲線型只有一個峰不一樣，在強場作用下的熒光線型有三個峰.
除了單個原子的自發輻射外，還有多個原子在一起時產生的相干自發輻射，也稱超輻射。這是因為多個原子與共同的輻射場相互作用而構成一合作的整體。合作的N個原子輻射同相位，由於相干疊加，總振幅正比於N，總的自發輻射功率正比於N2，這就是相干自發輻射的主要特徵。對於非相干自發輻射而言，由於N個原子輻射的位相是無規的，故總自發輻射功率與受激態原子數N成正比。
至於受激輻射，產生激光的主要依據即受激輻射與開式諧振腔。諧振腔的作用在於延長受激輻射光子在腔內的壽命，使之不很快逃逸到腔外，包括工作物質、腔、光泵在內是一個複雜的量子力學開系(見激光器)。這就需要有處理阻尼系統的耗散、起伏的量子統計方法。從輻射與原子的全量子理論出發導出朗之萬方程、福克—普朗克方程、密度矩陣方程。下面是典型的關於輻射的湮沒與產生算符b、b+的朗之萬方程。
式中F、F+為無規力，σ、σ+為原子能級的下降與上升算符，Xλ為阻尼係數，gλ、g為耦合係數。還有原子算符的運動方程。解這些方程能得出激光的線寬和統計分布。
激光的出現無疑對量子光學的發展起了推動的作用。激光的產生、傳輸、檢測與統計性質的研究仍然是當前量子光學中很有興趣的課題，如光學雙穩態[1] 、光學孤立波、壓縮態等。
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