分立热光源的聚束效应及其应用

摘要

从二十世纪五十年代中期开始，英国科学家Hanbury Brown和Twiss第一次报道了关于热光场的光学二阶干涉效应以后，光学高阶干涉效应逐渐地引起了物理学界的广泛兴趣。而后这一新颖的光学干涉效应便以这两位科学家的名字命名为HBT效应即热光的聚束效应。正是热光聚束效应与传统光学干涉理论的不相容性，促使物理学家们争相解释其背后的原因。在1963年，Glauber教授提出了‘光子相干的量子理论’，成功地解释了实验上出现的一阶、二阶、高阶等干涉效应，并且在经历40多年的实践检验后于2005年获得诺贝尔物理学奖。因此Glauber的光子相干理论就成为了目前最为流行的量子光学基本理论。事实上，HBT效应出现后，起初提出的各种解释都不同程度地引起了质疑，并没有一个能够完全令人信服而被广泛接受的答案。虽然存在一些争议，但这并不妨碍光子相干理论的后续发展与实践应用。一方面，在探测光场特性的时候，高阶干涉效应得到的测量结果能反应出光场本身的特性，因此可以区别经典光源还是量子光源。如反聚束效应是对单光子源监测的一种有力手段。另一方面，不同光场、不同装置下的高阶效应可以实现很多实践应用，如鬼成像、鬼干涉，量子通信等。
　　通过对HBT效应的理论与实验研究，我们认识到了热光聚束峰的出现可以看作是光源面内任意两点之间形成的二阶干涉效应的叠加。在远场探测面处可以通过符合计数测量得到聚束峰。这个认识促使我们考虑设计独特分布的热光源，能够在探测面处获得周期性的聚束峰。首先，我们模拟了一维分立热光源，并且通过理论计算发现，在远场处的探测面上能够得到周期性的聚束峰。为了在实验上实现这一设想，我们借助相位型空间光调制器 phase-SLM设计出一维分立的热光源，并在其远场观测面处测量得到了周期性的聚束峰。这一实验结果表明，独特设计的分立热光源能够在远场探测面处形成周期性HBT效应。另外，通过实验验证，在一维分立热光源中引入缺陷后聚束峰发生劈裂；二维分立热光源中同样也能够产生二维周期性HBT效应。
　　鬼成像作为HBT效应最直接的应用之一往往需要两臂共同使用，再进行符合测量，从而得到物像。我们发现，上述提到的周期性聚束效应能够将鬼像装置从双臂简化为单臂。借助实验，这一设想得到了证实。我们首先通过phase-SLM设计出二维分立热光源，然后通过具有空间分辨能力的探测器同时充当点探测器和桶探测器进行符合测量，最终得到物像。
　　概括起来，我们设计了分立热光源。基于这种独特的光源，我们在一维、二维情形下均观测到了周期性的聚束效应。这一周期性聚束效应能够用来简化热光鬼像装置，用单臂装置取代了传统的双臂鬼像装置。

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第一章 绪论

第一节 引言

第二节 热光

第三节 聚束效应

第四节 热光鬼成像

第五节 本文的研究立意和内容安排

第二章 基本理论

第一节 光场在自由空间中的传播

第二节 光场的量子化

第三节 光场的N阶关联函数

第四节 一阶干涉效应

第五节 二阶干涉效应

第三章 分立热光源的聚束效应

第一节 背景

第二节 基于分立热光源的周期性聚束效应

第三节 周期性聚束效应中聚束峰的劈裂

第四节 小结

第四章 分立热光源在鬼成像方面的应用

第一节 背景

第二节 二维分立热光源的聚束效应

第三节 基于周期性聚束效应的鬼像研究

第四节 小结

第五章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果