热光的关联成像与亚波长干涉.docx

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1、热光的关联成像与亚波长干涉（北京师范大学凝聚态物理）[摘要]本实验通过激光照射到一旋转的毛玻璃上产生类热光，设计HBT实验以及亚波长干涉实验，验证了热光关联成像和热光亚波长干涉。一、引言：1．热光的关联成像1995年，史砚华（Y．Shih）等人利用自发参量下转换产生的纠缠光子对实现了鬼成像，他们所用的实验装置如图9-1-1所示。由非线性光学晶体BBO自发参量下转换产生的双光子纠缠态满足动量守恒定律，两个光子空间波矢存在关联。利用这一性质，将纠缠的两个光子分别送到两个不同的光学线性传输系统中，这两个系统分别被称为取样臂和参考臂。光在取样臂中先经过成像元件，然

2、后照亮一个待成像的物体，物光由一个桶探测器D1进行探测，这里“桶探测”意指物体各部分发出的光同时由探测器收集探测。在参考臂的探测平面上通过扫描光纤来实现空间各点的探测。直接测量两个系统的输出强度分布不能得到这个物体的信息，然而通过合理安排这两个光学系统，并在它们的输出平面进行符合测量，就可以得到物体的像，这种成像技术被称为鬼成像。由于实验中需要对取样臂和参考臂进行符合测量，鬼成像也被称为纠缠光的符合成像或关联成像。鬼成像实验证明了纠缠双光子不仅可以传递量子信息，而且可以用特殊的方式传递经典信息，因而鬼成像有可能用于量子保密传真。这个鬼成像实验曾一度被认为是

3、经典光源不可模仿的特有的量子现象。2002年，本宁克（R.S.Bennink）等人利用转动的激光模拟热光，实现了关联成像，该实验的发表在物理界引起了“量子纠缠在关联成像中是否必要”的激烈争论。随着研究的深入，人们逐渐认识到利用经典热光源可以模拟量子纠缠光的部分性质，实现关联成像。北京师范大学物理系汪凯戈小组从理论上证明，经典热光源发出的光束在远图9-1-1YanhuaShih的两光子“鬼”成像实验装置示意图(a)及其相应的展开版本(b)9场和近场中都存在空间关联，满足关联成像的要求，他们还预言用经典热光源和量子纠缠源来做关联成像会得到相似的结果，而且从理论

4、上推导出了经典热光关联成像所满足的成像公式，为热光关联成像实验的实现做了充分的理论铺垫。随后，人们用不同的热光源实现了关联成像。2．热光的亚波长干涉众所周知，当单色光以确定的方向照射双缝时，可以观察到干涉条纹。如果单色光照射双缝的方向完全随机时，干涉条纹将消失，因为混乱无序的光线传播方向破坏了光的相干性，或者说不同传播方向所产生的干涉条纹的非相干叠加使得条纹消失。这是直观的物理常识，并且很容易用实验来证明。但“直观性”往往有可能妨碍人们进一步的思考，是否这样的非相干光源不可能产生任何干涉效应？在回答这一问题之前，我们简要回顾有关的研究和发展。根据量子力学，

5、当两个有相同质量的粒子结合为一体时，联合体的德布罗意波长减为单粒子的一半。根据这一思想，1995年，山本（Yamamoto）小组提出多光子波包的光子德布罗意波的概念，当光束的波长为λ时，光束中N个光子组成的波包作为整体所表现的德布罗意波长在多光子测量中为λ/N。不久，有两个实验组报道了采用II型晶体自发参量下转换产生的纠缠光子对为光源照射到双缝上，采用双光子符合测量可以观察到干涉条纹，并且条纹间隔如同具有下转换光波长的1/2的光源形成的普通干涉条纹一样。同时，理论分析表明，用双光子纠缠态通过分束器分为两束投射到观察屏上，并采用双光子探测器测量，也可以观察到

6、条纹间隔减小一半的干涉图。由于波长为λ的光产生出对应于λ/2的干涉图，这一现象被称为亚波长干涉(subwavelengthinterference)。精细的条纹可用于光刻技术，而这一方法又是采用量子纠缠光源获得的，因此又称为量子光刻(quantumlithography)。既然要用于光刻，双光子纠缠态的强度显然太弱，进一步要考虑的问题是能否用含有大量光子数的强纠缠光束来产生亚波长干涉。北京师范大学物理系汪凯戈研究小组首先研究了高增益自发参量下转换光的双缝干涉，发现在含有大量光子的强纠缠光作用下，亚波长干涉效应仍然存在。虽然干涉条纹的可见度随光强递减，但最低

7、可维持在20%(对I型自发参量下转换而言)的水平。这表明了亚波长干涉的宏观量子特征。与此同时，他们还有一个意外的发现，在I型晶体高增益的参量下转换光照射双缝后，若将两个探测器放置在关于双缝中心的对称位置上进行强度关联测量，也可以观察到亚波长干涉条纹，但这一效应在低增益时消失。后一种干涉是否也象前一种一样，出自于光子纠缠呢？如果是的话，为什么在低增益时(对应于双光子纠缠态)反而消失呢？也就是说，后一效应只出现在宏观领域，而没有微观对应。经过进一步的理论分析，他们提出后一干涉效应同量子纠缠无关，而源于经典热关联。在I型晶体自发参量下转换过程中，下转换光既包含了

8、量子纠缠又包含了经典热关联，因此两种亚波长干涉效应共存。为了证明上