量子光學簡介
相關書籍1905年，A.阿爾伯特·愛因斯坦提出了光子假設，成功地解釋了光電效應。阿爾伯特·愛因斯坦認為光子不僅具有能量，而且與普通實物粒子一樣具有質量和動量（見光的二象性）。1923年，A.H.康普頓利用光子與自由電子的彈性碰撞過程解釋了X射線的散射實驗（見康普頓散射）。與此同時，各種光譜儀的普遍使用促進了光譜學的發展，通過原子光譜來探索原子內部的結構及其發光機制導致了量子力學的建立。
所有這一切為量子光學奠定了基礎。20世紀60年代雷射的問世大大地推動了量子光學的發展，在雷射理論中建立了半經典理論和全量子理論。半經典理論把物質看成是遵守量子力學規律的粒子集合體，而雷射光場則遵守經典的麥克斯韋電磁方程組。此理論能較好地解決有關雷射與物質相互作用的許多問題，但不能解釋與輻射場量子化有關的現象，例如雷射的相干統計性和物質的自發輻射行為等。在全量子理論中，把雷射場看成是量子化了的光子群，這種理論體系能對輻射場的量子漲落現象以及涉及雷射與物質相互作用的各種現象給予嚴格而全面的描述。對雷射的產生機理，包括對自發輻射和受激輻射更詳細的研究，以及對雷射的傳輸、檢測和統計性等的研究是量子光學的主要研究課題。
研究內容
下面從光的相干統計性質、自發輻射、受激輻射等方面簡要闡述量子光學的內容。光的相干性
圖1a示出由點光源S發出經雙縫P1，P2的振動E1(t+τ)，E2(t)在屏上 Q點疊加，光強I(Q)可表示為
。實驗表明，這兩個隨機信號存在一定的相關性。它們的積對時間求平均n(t+τ)n'(t)>與相對時間延遲 τ有關，這種相關性又稱為光子符合計數。因為僅當n(t+τ)與n'(t)均不為零時， 其積才不為零。圖1a的干涉條紋由干涉項<E1(t+τ)E壗(t)>來描述；圖1d的光電流輸出的相關性乃是輻射源光量子統計起伏性質的體現， 應由〈n(t+τ)n'(t)〉來描述。將這兩個量歸一化，便得出輻射場的一階、二階相關函式g1 (τ)，g2 (τ)的定義如下
量子光學
量子光學圖2給出各種輻射源的二階相關函式 g2 (τ)隨延遲時間 τ的變化曲線。上曲線為黑體輻射源，當τ→0時，g2 (τ)→極大值2，光子符合計數亦最大，這表明光子趨向於同時到達，這就是黑體輻射的光子聚束效應。但當τ 增大，g2 (τ)下降到漸近於1，光子符合計數亦相應下降，表現出不聚束。中曲線為單模雷射源，不論 τ為何值，g2 (τ)值為1，表現出不聚束。這是因為單模雷射服從泊松分布；而黑體輻射服從普朗克分布。統計分布不一樣，表現統計分布的二階相關函式 g2 (τ)也就不一樣。還有一種情形即下曲線所表示的反聚束源，在一定條件下，服從亞泊松分布。當τ→0，g2 (τ)→0，亦即當SQ=SQ'時，Q、Q'點不能同時有光子到達，光子符合計數為零， 這就是反聚束效應。由 S發出的光波為什麼不能同時到達滿足條件 τ=(SQ-SQ')/с=0的Q、Q'點，從經典波動理論來看，這是不可思議的。但從光量子觀點來看，單一光子要么進入Q點的光電管被接收， 這時n
0，n'=0;要么進入Q'點的光電管被接收，這時n=0，n'0，故求平均後有〈n(t)n'(t)〉=0，g2 (τ)=0，所以反聚束是一種量子效應，只能從量子光學去理解。
自發輻射與受激輻射
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。
量子光學
量子光學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雷射技術，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，在強場作用下的螢光線型有三個峰，圖4a為理論曲線；圖4b為實驗曲線，符合得好。
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，產生雷射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(見雷射器)。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。解這些方程能得出雷射的線寬和統計分布。
雷射的出現無疑對量子光學的發展起了推動的作用。雷射的產生、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、光學孤立波、壓縮態等。
發展歷史
M·普朗克為解決黑體輻射規律問題提出了能量子假設1923年，A.H.康普頓利用光子與自由電子的彈性碰撞過程解釋了X射線的散射實驗（見康普頓散射）。與此同時，各種光譜儀的普遍使用促進了光譜學的發展，通過原子光譜來探索原子內部的結構及其發光機制導致了量子力學的建立。所有這一切為量子光學奠定了基礎。20世紀60年代雷射的問世大大地推動了量子光學的發展，在雷射理論中建立了半經典理論和全量子理論。半經典理論把物質看成是遵守量子力學規律的粒子集合體，而雷射光場則遵守經典的麥克斯韋電磁方程組。此理論能較好地解決有關雷射與物質相互作用的許多問題，但不能解釋與輻射場量子化有關的現象，例如雷射的相干統計性和物質的自發輻射行為等。在全量子理論中，把雷射場看成是量子化了的光子群，這種理論體系能對輻射場的量子漲落現象以及涉及雷射與物質相互作用的各種現象給予嚴格而全面的描述。對雷射的產生機理，包括對自發輻射和受激輻射更詳細的研究，以及對雷射的傳輸、檢測和統計性等的研究是量子光學的主要研究課題。
光子-內部結構模型圖 學科成就
愛因斯坦是光子學、光子技術、光子工程和光子產業的先導必須指出的是，光量子學說的提出，成功的解釋了光電效應現象的實驗結果，促進了光電檢測理論、光電檢測技術和光電檢測器件等學科領域的飛速發展；因此，從這個意義上講，愛因斯坦是光電檢測理論之父。不僅如此，光量子學說的提出最終導致了量子光學的建立，所以說它是量子光學發展的源頭和起點；因此，從這個意義上講，愛因斯坦是量子光學的先驅和創始人。尤為重要的是，愛因斯坦在其光量子學說中所提出的有關光量子這一概念，幾經發展形成了當今的光子這一概念，最終導致光子學理論的建立，並由此帶動了光子技術、光子工程和光子產業的迅猛發展；可見，光量子學說是光子學、光子技術、光子工程和光子產業的發端；因此，從這個意義上講，愛因斯坦是光子學、光子技術、光子工程和光子產業的先導。除此而外，愛因斯坦在研究二能級系統的黑體輻射問題時曾提出了受激輻射、受激吸收和自發輻射這三個概念，並形式的引入了愛因斯坦受激輻射係數、受激吸收係數和自發輻射係數這三個係數等等；特別是受激輻射這一概念的提出，最終導致了雷射器的發明、雷射的出現和雷射理論的誕生，直至形成了當今的雷射技術、雷射工程和雷射產業；因此，從這個意義上講，愛因斯坦本人是當之無愧的雷射之父和雷射理論的先驅。
從1906年到1959年的這50多年時間內，有關光的量子理論的研究工作雖然也曾取得過許多重要成就，但就其總體發展而言，仍然是比較緩慢的。其最明顯特徵就是光的量子理論尚未形成完整的理論體系。
自1960年國際上誕生第一台紅寶石雷射器以來，有關這一領域的科學研究工作進入到了空前活躍的快速發展時期。由此，直接導致了量子光學的誕生與發展[註：這是量子光學發展史上的一次重大轉折，為量子光學的快速發展提供了重要的實驗技術保障；同時，雷射器的發明者們也因此獲得了諾貝爾物理學獎。這是量子光學發展史上的第2個諾貝爾物理學獎。雷射器本身屬於量子器件，雷射器的行為並不完全遵守經典物理學的理論規則。
相關書籍隨著研究工作的深入和深化，隨著研究對象、研究內容和研究範圍的拓展，以及隨著研究方法和研究手段的更新與改進，量子光學領域已經出現了一系列全新的、重大突破性進展。特別是在1997年，S.Chu，C.C.Tannoudji和W.D.Phillips等人因研究原子的雷射冷卻與捕獲而分獲1997年度諾貝爾物理學獎，從而將量子光學領域的研究工作推向了第一個高潮，這是量子光學發展史上的第3個諾貝爾物理學獎。
1997年以後，量子光學領域又出現了許多新的發展跡象。特別是，在2001年瑞典皇家科學院決定將2001年度的諾貝爾物理學獎授予對實現玻色—愛因斯坦凝聚態而做出傑出貢獻的3位科學家，從而將量子光學領域的研究工作推向了第二個新的高潮。這是量子光學發展史上的第4個諾貝爾物理學獎。
到了2005年，瑞典皇家科學院再次決定將2005年度的諾貝爾物理學獎授予對光學相干態和光譜學研究做出傑出貢獻的3位科學家。其中，發現光學相干態(即Glouber相干態)、並在此基礎上進一步建立起光場相干性的全量子理論的美國科學家Glouber他一個人獲得了本年度諾貝爾物理學獎金的50％，而另外的兩位科學家則共享本年度諾貝爾物理學獎金的另外的50％。足以說明量子光學研究的重要性、重要地位和重要作用以及國際科學界對量子光學學科的重視程度；在短短的8年時間內，竟然給量子光學學科授了3次諾貝爾物理學獎！從而，將量子光學領域的研究工作推向了第三個新的高潮。這是量子光學發展史上的第5個諾貝爾物理學獎。
因此，在這種情況下，有必要對量子光學領域已往的輝煌成就進行總結回顧，並對量子光學領域的最新發展動態以及21世紀量子光學領域的發展趨勢和發展方向進行分析與展望，以使人們在新的探索中能夠受到新的啟發，並力爭在21世紀初期取得更大的突破。
性質
相關書籍儘管量子光學領域已取得了一系列重大進展和輝煌成就，但就量子光學理論本身的結構來看還很不完善。這主要表現在以下3個方面：
第一，迄今為止，人們僅僅只對平面波場成功地進行了量子化的研究工作，而對於球面波場、柱面波場和高斯雷射束等非平面波場的量子化問題卻一直無能為力；
第二，量子光學理論，僅僅只是非相對論性理論，而真正的相對論性量子光學理論尚未建立，這在深入研究微觀高速或超高速運動粒子的量子光學性質時，就表現出了明顯的局限性；
第三，對光子的自身相互作用及光子的結構問題研究的還很不夠，至今未能產生並形成行之有效的研究方法和研究手段等。
人們認為，量子光學正處在更大的輝煌發展前夕的一個重要的十字路口，它曾經取得過一系列重大進展和一些輝煌成就，但在21世紀，量子光學領域的成績和成就將會更加炫麗多彩，特別是有關光子結構問題的研究將把量子光學領域的科學研究工作推向頂峰。
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