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PräsentationsmaterialienOptik, Licht & Laser
Kapitel 12
Grundzüge derQuantenoptik
Copyright:Die graphischen Materialien aus diesem DoKumentdürfen frei für Präsentationen zum Beispiel in der Lehreverwendet werden. Ein angemessenes Zitat wird erwar-tet. Die Materialien dürfen für kommerzielle Zweckenicht verwendet werden.
Ergänzung zu: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Lichtquanten und Photonen
....
Ann. Phys. 17, 132 (1905)
,,Ich nehme mir die Freiheit, für dieses neue Atom,das kein Licht ist, aber eine wesentliche Rolle beijedem Strahlungsprozeß spielt, den Namen Photonvorzuschlagen.“
Gilbert N. Lewis, Nature 118, 874 (1926)
Gilbert Newton Lewis1875 - 1946
Albert Einstein1879 - 1955
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Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Weisskopf-Wigner-Theorie des spontanen Zerfalls
Frequenz ω
ρ(ω) ρfrei(ω) ~ ω2
ωAtom0 1 2 3
0,0
1,0
Zeit (t/τ)
Fermi’s goldene Regel
Weisskopf-Wigner-Lösung
t=τ
1/e
Pe(t)
Die Weisskopf-Wigner-Lösunggilt zu allen Zeiten
Die Strahlungswechselwirkung mischtangeregte atomare Zustände mit demelektromagnetischen Vakuum
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Unterdrückung der spontanen Emission
dd
σ
π0
1
2
3
4
0 1 2 3 4ω/ωc
σ
π
Atomarer Dipol und Bilddipole Zustandsdichte des elektromagnetischenVakuums, normiert auf den freien Raum
Interpretation 1: Interpretation 2:
ρ(ω)/ρfrei(ω)
ωc = πc/d
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Offene Quantensysteme, Reservoir
Kohärentes Lichtfeld Materie Reservoir (inkohärent)
ΩR γγ|e⟩
|g⟩
ΩR: Rabi-Frequenz, γ: Dämpfungsrate
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:AC-Stark-Effekt
nach K. Bergmann et al., Rev. Mod. Phys. 70, 1003 (1998)
Fluo
resz
enz
(rel.
Ein
h.)
p
R
Verstimmung des Testlasers [MHz]
R
p
S
|e⟩
Stark laserTestlaser
|g⟩
|h⟩
Verstimmung des Testlasers [MHz]
Fluo
resz
enz
(rel.
Ein
h.)
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Dressed Atom”-Modell
ΩR
n+2
n+1
n
ELicht/hωL
EAtomhωL=hωAtom
|e,n+2⟩
|e,n+1⟩
|e,n⟩
|g,n+1⟩
|g,n+2⟩
|g,n⟩
|e,n+1⟩
|e,n⟩
|g,n+1⟩
|g,n+2⟩
Claude Cohen-Tannoudjiin Les Houches 1975Nobelpreis 1997
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Resonanzfluoreszenz am Na-Atomstrahl
Laseranregung
Na-Atomstrahl
Detektor
Piezo-Translator Fabry-Perot-Spiegel
nach W. Hartig et al., Z. Phys. A 278, 205 (1976)
“Mollow-Triplett”
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 4 8 12 16 20
0,0 1,0 1,50,0
0,1
0,2
kohärent
inkohärent
Res
onan
z-Fl
uore
szen
zI fl/
I sat
I/Isat
Grundzüge der Quantenoptik:Kohärente und inkohärente Streuung
Frequenzωosz=ωL
γ
resonant
Frequenzωosz=ωL
resonant
Rayleigh-Streuung(kohärent)
γ >> ΩR
γ << ΩR
ΩR: Rabi-Frequenz, γ: Dämpfungsrate
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Frequenzωosz=ωL
γ
resonant
Grundzüge der Quantenoptik:Spektren getriebener Oszillatoren (theor.)
Getriebenes Zwei-Niveau-System
Frequenzωosz=ωL
γ
resonant
Frequenzωosz=ωL
resonant
Rayleigh-Streuung
γ >> ΩR
γ << ΩR
ΩR: Rabi-Frequenz, γ: Dämpfungsrate
Zum Vergleich:klassischer getriebener Oszillator
Beim klassischen Oszillator ist dergedämpfte Anteil allein technisch bedingt
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Mollow-Triplett der Resonanzfluoreszenz
Frequenzωosz=ωL
γ
resonantγ << ΩR
ΩR
3γ/2
ΩR: Rabi-Frequenz, γ: Dämpfungsrate
ΩR(|e,n+1⟩+|g,n+2⟩)/√2
ΩR
(|e,n+1⟩−|g,n+2⟩)/√2
(|e,n⟩+|g,n+1⟩)/√2
(|e,n⟩−|g,n+1⟩)/√2
Rayleigh-Linie
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
τ τ τ
1
2
0
g(2)(τ)
Fock-Zustand Kohärentes Feld Thermisches Feld
τc
Grundzüge der Quantenoptik:Kohärenzfunktionen 2. Ordnung g(2)(τ)
für klassische Felder verbotener Bereich
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
TDC
light source photondetector
monitorarrival times
Grundzüge der Quantenoptik:Hanbury-Brown und Twiss-Experimente
delay line
light source
detector 1
correlator
detector 2
star light
correlator
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Kohärente und thermische Photonenzahlverteilung
Laserquelle
Zähler
RotierendeStreuglasscheibe
Photo-Detektor
LT
Occ
urre
nces
0
2000
4000
6000
8000
0 10 20 30
Kanal Nummer
L: LaserlichtT: thermisches Licht
Nach F. Arecchi, Phys. Rev. Lett. 15, 912 (1965)
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Kohärenzfunktion 2. Ordnung, Photonenstatistik
g(2) (τ
)
2
1
0τ/τ0
+Laserlichtthermisches Licht
1 20 3
Laserlicht
ZeitLicht mit “antibunching”-Effekt
τcthermisches Licht
nach R. Loudon, The Quantum Theory of Light, Clarendon Press (Oxford 1983)
F. Arecchi et al., Phys. Rev. Lett. 20, 27 (1966)
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Antibunching in der Resonanzfluoreszenz
2. PhotonZeigt die Dynamik (Rabi-Oszillation)
1. PhotonPräpariert ein Atom im Grundzustand
0
1
2
3
Koi
nzid
enze
n/m
in
1 Atom
-40 0 40 80zufälligeKoinzidenzen
10 µm
0
26000
Grauw
ert
τ (ns)
ICCD-Kamerabild einesgespeicherten Caesium-Atoms.λ = 850 nm, Belichtungszeit 1 s
nach V. Gomer, D. Meschede, Ann. Phys. (Leipzig) 10, 9 (2001)
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Spontane parametrische Fluoreszenz
O.A.sig
idωsig ωid
ωpump
(engl: Spontaneous parametric downconversion, SPDC)
Typ I Phasenanpassung, O.A.:Optische Achse
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Zwei-Photonen-Interferometer nach Hong, Ou, Mandel
ω0=ω1+ω2
SPDC correlatorBS
Det1
Det2
IF
IF
AP
AP
ω0
ω2
ω1
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
|10⟩0
|01⟩0
|01⟩1
|10⟩1
BS
Feldzustände vor und nach dem Strahlteiler
Grundzüge der Quantenoptik:Koinzidenzrate im H-O-M-Interferometer
Koi
nzid
enzr
ate
(min
-1)
100
50
0240 300 360
Strahlteiler-Position (µm)
θ
!"#$#!%&#'()
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Quelle für polarisationsverschränkte Photonen
O.A. V
H
O.A.
ωid
ωpump
ωsig
Typ II
H
V
Geometrie der Phasenanpassung Photographie derspontanen Fluoreszenz
Polarisationvertikal (V)
Polarisationhorizontal (H)
Photonenpaare in den grün markierten Schnittpunktender Emissionskegel sind verschränkt
Nach P. Kwiat et al., Phys. Rev. Lett. 75, 4337 (1995)
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Experiment zur Messung von Polarisationskorrelationen
LD 403 nm SPDC
correlator
PA1
PA2 PD2 806 nm
PD1 806 nm
LD: Laserdiode; SPDC: SPDC-Quelle; PA: Polarisationsanalysator; PD: Photodetektorennach P. Trojek et al., Opt. Exp. 12, 276 (2004)
Aus: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.12 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden
Grundzüge der Quantenoptik:Polarisationskorrelationen von verschränkten Photonen
Kon
inzi
denz
enin
5s
φ = 0o φ = 22,5o
0 45 90 135 1800
1000
2000
3000
4000
SPCD PA1 SPDC PA1
Stellung der λ/2-Platte am Polarisationsanalysator
SPDC: SPDC-Quelle; PA: Polarisationsanalysator; PD: Photodetektorennach P. Trojek et al., Opt. Exp. 12, 276 (2004)