當(dāng)代光學(xué)進(jìn)展20130724

當(dāng)代光學(xué)進(jìn)展概述2013年7月24（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展（三）量子光學(xué)研究（四）信息光學(xué)的大發(fā)展

（五）光本性的研究

上世紀(jì)后半葉發(fā)展起來(lái)的幾何光學(xué)當(dāng)代理論，經(jīng)歷了經(jīng)典光線力學(xué)與量子光線力學(xué)兩大階段。經(jīng)典光線力學(xué)是從初期的舊幾何光學(xué)與牛頓力學(xué)相似性研究中脫穎出來(lái)的。論及舊幾何光學(xué)與牛頓力學(xué)這兩個(gè)看起來(lái)彼此獨(dú)立學(xué)科的相關(guān)性，不得不從最小作用量原理的研究說(shuō)起。

（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展1.最小作用量原理與初期的幾何光學(xué)2．經(jīng)典光線光學(xué)的建立3．量子光線力學(xué)

1.最小作用量原理與初期的幾何光學(xué)

最小作用量原理從提出到發(fā)展淵源流長(zhǎng)。它不僅在物理學(xué)的諸領(lǐng)域，甚至在整個(gè)自然科學(xué)乃至更大的學(xué)科范圍內(nèi)，都具有深刻的作用與寶貴的價(jià)值。僅就最小作用量原理在物理學(xué)中的地位而論，沒(méi)有哪一個(gè)定律或定理能在如此漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中，如此貫徹始終地伴隨著物理學(xué)全部進(jìn)程而發(fā)展，也沒(méi)有哪一個(gè)規(guī)律能有如此的魅力，始終吸引著眾多的哲學(xué)家和科學(xué)家們；也沒(méi)有哪一個(gè)規(guī)律能像它一樣，把經(jīng)典物理與近代物理，甚至把物理學(xué)與數(shù)學(xué)如此緊密地結(jié)合起來(lái)。最小作用量原理不僅反映了自然界的真與美，也反應(yīng)了人們對(duì)自然規(guī)律的普遍性與簡(jiǎn)單性的追求。

（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展（1）公元40年，希臘工程師希羅(Hero50～)在對(duì)光的直線傳播與反射定律的解釋中，強(qiáng)調(diào)了自然現(xiàn)象的“經(jīng)濟(jì)本性”，并提出了光的最短路程原理。他認(rèn)為光在空間兩點(diǎn)間傳播沿長(zhǎng)度最短的路徑，這是最小作用量原理的最早期表述。（2）公元6世紀(jì)，希臘新柏拉圖主義哲學(xué)家?jiàn)W林匹奧德魯斯(Olympiodorus)在他所著的《反射光學(xué)》一書(shū)中，重申了自然界的“經(jīng)濟(jì)本性”，他認(rèn)為“自然界不做任何多余的事，或者不做任何不必要的工作”。

（3）英國(guó)神學(xué)家、牛津大學(xué)的校長(zhǎng)、培根的老師格羅斯泰斯特(GrossetesteRobert1175～1253)則認(rèn)為，自然界總是以數(shù)學(xué)上最小和最優(yōu)的方式運(yùn)動(dòng)和變化。英國(guó)哲學(xué)家?jiàn)W卡姆(OckhamWilliam1285～1349)更為明確地指出：“對(duì)實(shí)際存在的事物，決不能不必要地添枝加葉”。（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展（4）使最小作用量原理發(fā)生質(zhì)的飛躍的是法國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)馬(Fermat，Pierrede1601～1665)。1657年，費(fèi)馬用“最短時(shí)間原理”，即后人所稱(chēng)的費(fèi)馬原理，修改了最短路程原理。這一原理表明：光在媒質(zhì)中從一點(diǎn)向另一點(diǎn)傳播時(shí)，總是沿花費(fèi)時(shí)間最少的路徑，即為最小值。

費(fèi)馬原理已成為幾何光學(xué)領(lǐng)域中的高度概括性原理，它使以前似乎彼此獨(dú)立無(wú)關(guān)的光的直線傳播定律、反射定律、折射定律以及光路可逆性原理有了一個(gè)統(tǒng)一而又簡(jiǎn)捷、優(yōu)美的表述。（5）法國(guó)數(shù)學(xué)家達(dá)蘭貝爾（D'Alelnbert，Jean

LeRond1717～1783）與其后的法國(guó)數(shù)學(xué)家兼天文學(xué)家拉格朗日（Lagrange，JosephLouisComtede1736～1813）。

（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展他們?cè)诹W(xué)中應(yīng)用變分法，把最小作用量原理發(fā)展為動(dòng)力學(xué)的普遍原理——達(dá)蘭貝爾-拉格朗日原理，并把它推廣到多粒子系統(tǒng)。繼達(dá)蘭貝爾與拉格朗日之后，愛(ài)爾蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家哈密頓（Hamilton，SirWilliam

Rowan1805～1865）把最小作用量原理又發(fā)展到了它的顛峰。哈密頓用具有動(dòng)力學(xué)意義的正則變量（廣義動(dòng)量p和廣義坐標(biāo)q）代替只有運(yùn)動(dòng)學(xué)意義的廣義速度P和廣義坐標(biāo)q，把拉格朗日函數(shù)和拉格朗日方程變換到哈密頓函數(shù)和哈密頓正則方程，對(duì)比費(fèi)馬原理提出了等時(shí)最小作用量原理，即哈密頓原理，由它可以導(dǎo)出全部力學(xué)的基本定理和運(yùn)動(dòng)方程，不僅適用于完整保守系，而且還可以推廣到非保守系和非完整系。

（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展經(jīng)典力學(xué)哈密頓理論的建立，具有雙重深遠(yuǎn)的意義:其一是它成為經(jīng)典力學(xué)向量子力學(xué)過(guò)渡的橋梁。在正則方程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的哈密頓-雅柯比方程已成為量子力學(xué)建立以前研究量子力學(xué)的主要方法；其二是這一原理中的對(duì)偶性思想，對(duì)偶性即力學(xué)與幾何光學(xué)運(yùn)動(dòng)方程中的相似性。這些相似性表明，一個(gè)粒子的行為可以由波動(dòng)性描述；而光的波動(dòng)性又可以與粒子的行為相關(guān)，這就是哈密頓原理中所蘊(yùn)含的對(duì)偶性思想。

12（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展2．經(jīng)典光線光學(xué)的建立經(jīng)典光線力學(xué)又稱(chēng)為哈密頓光學(xué)，它是由D．馬庫(kù)斯（D．

Marcuse）等人從幾何光學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的相似性出發(fā)，根據(jù)費(fèi)馬原理建立起來(lái)的。他們?cè)谥苯亲鴺?biāo)系中，假定光沿z軸方向傳播，首先引入了描述光傳輸?shù)木€元ds。為建立光線力學(xué)的哈密頓方程，在光線拉格朗日函數(shù)L的基礎(chǔ)上，引入光線的廣義動(dòng)量，于是，由廣義動(dòng)量與廣義坐標(biāo)定義哈密頓函數(shù)H（x，y，px，py）。然后，由光線的哈密頓正則方程，找到哈密頓函數(shù)的表述形式，其中n為傳輸介質(zhì)的折射率。這個(gè)函數(shù)恰與靜止質(zhì)量為m0的單粒子的相對(duì)能量式相似。若采用光線傳播的近軸條件，即x′＜1，y′＜1，把變化的折射率n表述為常量n0與小變量△n兩部分，即n=n0+△n，再利用級(jí)數(shù)展開(kāi)，所得到的哈密頓函數(shù)又恰好與非相對(duì)論近似條件下的單粒子力學(xué)的哈密頓函數(shù)有著驚人的相似。這些結(jié)果表明，質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的非相對(duì)論近似理論正對(duì)應(yīng)著幾何光學(xué)中的近軸理論，只是光線力學(xué)比質(zhì)點(diǎn)力學(xué)低一維，單粒子的勢(shì)能正好對(duì)應(yīng)傳光媒質(zhì)的折射率。（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展3．量子光線力學(xué)上世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著纖維光學(xué)的進(jìn)展，在對(duì)光的傳輸與發(fā)射研究中，光的量子特性迫使人們不得不對(duì)光線力學(xué)以及波動(dòng)光學(xué)加以改造，改造的目標(biāo)就是建立一門(mén)新型的量子光線力學(xué)。理論的進(jìn)展仍然是從哈密頓原理所隱含的對(duì)偶性出發(fā)的。對(duì)偶性啟示人們，不僅應(yīng)對(duì)光線力學(xué)中的“光線”概念加以改造，使其具有波粒二象性，還應(yīng)賦予波動(dòng)力學(xué)中的“純波動(dòng)”以粒子性特征。

（一）幾何光學(xué)當(dāng)代理論的建立與發(fā)展（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展

（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展1．微波激射器與量子電子學(xué)的誕生1917年，愛(ài)因斯坦在研究黑體輻射對(duì)氣體平衡計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)了輻射具有兩種形式，自發(fā)輻射和受激輻射，從而提出了受激輻射的理論。受激輻射發(fā)生的條件是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)這一思想至關(guān)重要，然而在當(dāng)時(shí)人們的心目中，認(rèn)為這是不可思議的。因?yàn)樵跓崞胶鈼l件下，低能級(jí)粒子數(shù)總要比高能級(jí)粒子數(shù)多，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就等于要破壞熱平衡，這一點(diǎn)與人們的想法相違，初期粒子數(shù)反轉(zhuǎn)思想未能引起更多人的注意。

（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展1951年，美國(guó)物理學(xué)家珀塞爾（Purcell，Edwaed

Mills

1912～）用微波波譜學(xué)的方法，測(cè)定了核磁矩。為增強(qiáng)微波信號(hào)，他應(yīng)用了突然倒轉(zhuǎn)場(chǎng)的方法。當(dāng)外磁場(chǎng)極性改變比核自旋的響應(yīng)快時(shí)，在氟化鋰晶體中實(shí)現(xiàn)了核自旋體的反轉(zhuǎn)分布，此時(shí)，他意外地觀察到了頻率為50kHz的受激輻射。應(yīng)用玻爾茲曼分布規(guī)律，珀塞耳對(duì)該現(xiàn)象做出了解釋。根據(jù)這一結(jié)果，珀塞爾首先提出“負(fù)溫度”概念，并把粒子數(shù)反轉(zhuǎn)稱(chēng)為“負(fù)溫度”狀態(tài)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)不僅表明“負(fù)溫度”并非不可逾越，而且使人們對(duì)于玻爾茲曼分布有了更全面也更深刻的認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，朝向同一目標(biāo)的另一番工作也在另外一個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)行著。由于雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的需要，人們正在研制一種高強(qiáng)度的微波器件。二戰(zhàn)期間，美國(guó)物理學(xué)家湯斯（Townes，CharlesHard

1915～）曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室從事雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)研究。戰(zhàn)后，他在哥倫比亞大學(xué)物理系執(zhí)教期間，應(yīng)軍方邀請(qǐng)，開(kāi)始致力于縮短雷達(dá)使用波長(zhǎng)的研究。但是這一課題進(jìn)行極不順利，他屢遭失敗，幾度陷入困境。1951年春，他到華盛頓參加一個(gè)工作會(huì)議。與會(huì)期間的一天早晨，正當(dāng)他坐在華盛頓市一個(gè)公園的長(zhǎng)凳上等待飯店開(kāi)門(mén)時(shí)，腦子里突然閃現(xiàn)出來(lái)一個(gè)想法，這就是利用分子受激發(fā)射的方式代替電子線路放大，實(shí)現(xiàn)微波放大的設(shè)想。湯斯頭腦中所閃現(xiàn)的這個(gè)“小火花”，使他激動(dòng)不已，很短的時(shí)間內(nèi)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)的方案被設(shè)想了出來(lái)。他打算用電流加熱的方式，把能量泵入氨分子中，使它們處于受激狀態(tài)。當(dāng)受激分子恰好處于與氨分子固有頻率相同的微波波束之中時(shí)，微波波束與氨分子通過(guò)反復(fù)作用，使泵入氨分子中的能量傳遞到微波波束之中，原來(lái)入射的弱波束就有可能在短時(shí)間內(nèi)，以雪崩方式促發(fā)為強(qiáng)微波波束，湯斯把這一設(shè)想的要點(diǎn)就記在了一個(gè)信封的背面上。

（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展從1951年年底，在美國(guó)海軍和陸軍的資助下，湯斯和他的兩個(gè)學(xué)生戈登、蔡格爾一起，經(jīng)過(guò)了兩年的研究，終于在1954年研制成功波長(zhǎng)為1.25cm的氨分子振蕩器，他們把它稱(chēng)為受激輻射微波放大器，按其字母縮寫(xiě)為MASER，簡(jiǎn)稱(chēng)為脈澤。脈澤具有穩(wěn)定的振動(dòng)頻率，可以用它制成用于計(jì)時(shí)的“原子鐘”。

1955年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家巴索夫（Basov，1922～）和普羅霍洛夫（Prokchorov，Alexander

Mikhailovich

1916～）提出了用三級(jí)能的方法實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。就這樣，在1958年，以量子電子學(xué)的研究為基礎(chǔ)，湯斯、肖洛和巴索夫、普羅霍洛夫等人已經(jīng)分別提出了把量子放大技術(shù)用于毫米波、亞毫米波及可見(jiàn)光波段的可能性，這一研究為激光的誕生鋪平了道路。由于在脈澤、激光及量子電子學(xué)基礎(chǔ)理論方面的工作，巴索夫、普羅霍洛夫與湯斯共同分享了1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展2．向更短波長(zhǎng)進(jìn)發(fā)——激光器的問(wèn)世（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展在向更短波長(zhǎng)進(jìn)發(fā)的過(guò)程中，湯斯的第一個(gè)目標(biāo)是由毫米波進(jìn)入亞毫米波段。然而，在一開(kāi)始他就遇到了麻煩。首先，要使振蕩腔的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相當(dāng)，制造1厘米以下的振蕩腔非常困難；其次，由于振蕩腔的縮小，內(nèi)含物質(zhì)少又嚴(yán)重地限制了放大性能。在克服這一困難的過(guò)程中，湯斯發(fā)現(xiàn)，若把波長(zhǎng)縮短到紅外或可見(jiàn)光區(qū)域，腔體尺寸帶來(lái)的雜散振蕩反倒有可能隨之減小，這使他倍受鼓舞。此時(shí)，湯斯的姻弟——肖洛（Schawlow，Arthur

L．1921～）從光學(xué)中的F-P干涉儀得到啟發(fā)，提出一個(gè)設(shè)想，即用一對(duì)反射鏡代替封閉的諧振腔，以控制不必要的振蕩模式。

1958年，肖洛與湯斯聯(lián)名在《物理評(píng)論》上發(fā)表了重要論文《紅外與光激射器》。這篇論文不僅給出了受激輻射光產(chǎn)生的必要條件，而且還詳細(xì)地論述了光激射器的若干理論問(wèn)題，論證了F-P*儀代替諧振腔減少過(guò)剩波型及自激輻射的機(jī)制，還提出了以鉀蒸氣為工作物質(zhì)、鉀燈為泵浦源的紅外激射器的設(shè)計(jì)方案。

首先摘取激光器發(fā)明桂冠的是休斯飛機(jī)公司所屬研究室的美國(guó)物理學(xué)家梅曼（Maiman，Theodore

Harold

1927～）。梅曼的成功不是偶然的，他是電氣工程師之子，靠修理電器半工半讀讀完大學(xué)。1949年從科羅拉多大學(xué)畢業(yè)后，考入斯坦福大學(xué)攻讀研究生，1955年獲得博士學(xué)位。他的導(dǎo)師蘭姆（Lamb，Willis

Eu-genen

Jr．1913～）曾因發(fā)現(xiàn)著名的氫原子譜線蘭姆位移而獲得1955年諾貝爾物理獎(jiǎng)。在梅曼隨導(dǎo)師一起研究蘭姆位移過(guò)程中，梅曼曾提出利用反轉(zhuǎn)分布使氫原子的不同能態(tài)間產(chǎn)生受激輻射的設(shè)想，并以這一設(shè)想展開(kāi)了他的博士論文《利用波和光的雙共振研究氫原子的激發(fā)態(tài)》。1956年，梅曼應(yīng)邀到休斯飛機(jī)公司的一個(gè)研究所工作，致力于紅寶石微波放大器的研究，1959年8月轉(zhuǎn)而研制激光器。由于他對(duì)紅寶石的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一番選擇后，他選用了摻釹紅寶石晶體作為工作物質(zhì)，以脈沖氙燈作為光泵，終于在1960年5月獲得了成功。梅曼等人研制成功的第一臺(tái)激光器的工作物質(zhì)是長(zhǎng)2cm、直徑1cm的摻釹紅寶石棒，它的兩端被磨平后鍍銀，其中一個(gè)鍍銀面中心有一個(gè)直徑1mm的透光孔，泵浦光源為螺旋形氙燈。（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展3．肖洛及激光光譜學(xué)的大發(fā)展

(1)傳統(tǒng)光譜學(xué)的建立與發(fā)展

傳統(tǒng)光譜學(xué)的研究已有近百年的歷史，對(duì)光譜現(xiàn)象首先進(jìn)行觀察的就是牛頓。由于閱讀了玻意耳的色彩學(xué)著作，激起了牛頓對(duì)光學(xué)的興趣。在1666年，牛頓首次應(yīng)用玻璃棱鏡把太陽(yáng)光分解為各色光譜，隨后，又把各色光譜線匯合成白光，從而證明白色光為各色光的復(fù)合光。光譜學(xué)作為一門(mén)實(shí)用性學(xué)科，是由物理學(xué)家和化學(xué)家共同開(kāi)創(chuàng)起來(lái)的。

光譜學(xué)不僅開(kāi)始作為定性化學(xué)分析方法，同時(shí)也用來(lái)進(jìn)行天體成分的研究，基爾霍夫首先利用光譜確定了太陽(yáng)中的六種元素。光譜學(xué)的發(fā)展對(duì)于化學(xué)學(xué)科，天文學(xué)，量子力學(xué)的發(fā)展具有重要作用。（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展由于激光器所注入的活力，從60到70年代末期，激光光譜學(xué)的進(jìn)展異常神速。肖洛所在的斯坦福大學(xué)研究組始終站在激光光譜研究領(lǐng)域的最前列。這個(gè)研究組除了肖洛外，還有一位年青教授漢施（Hansch,

T.W）。漢施1968年從德國(guó)海德堡大學(xué)獲得博士學(xué)位后不久，便來(lái)到斯坦福大學(xué)任教。他們領(lǐng)導(dǎo)著來(lái)自世界各地的幾位訪問(wèn)學(xué)者和近十名博士研究生。在整個(gè)70年代中，這個(gè)友好且富于創(chuàng)造性的研究集體在高分辨率激光光譜學(xué)的研究中，做出了多方面的重要貢獻(xiàn)，所創(chuàng)造的激光光譜學(xué)方法居世界領(lǐng)先地位。它們是：飽和吸收光譜(1971)、內(nèi)調(diào)制熒光光譜(1972)、雙光子光譜(1974)、激光識(shí)別光譜(1976)、偏振光譜(1976)、兩步偏振標(biāo)識(shí)光譜(1979)、光電流光譜(1979)、偏振內(nèi)調(diào)制激勵(lì)光譜(1981)，雙光子光譜技術(shù)，瞬態(tài)激光光譜學(xué)等。肖洛與布洛姆根（Bloembergen，Nicolaes

1920～）共同獲得1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

(2)肖洛與激光光譜學(xué)

（二）激光及相關(guān)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展（三）量子光學(xué)研究（三）量子光學(xué)1．混沌光場(chǎng)與相干態(tài)光場(chǎng)量子概念是從黑體輻射研究中引出的，黑體輻射是持續(xù)了50多年的跨世紀(jì)研究。普朗克的能量子成為近代量子物理學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)。緊接其后的是愛(ài)因斯坦提出了光量子假設(shè)。

在激光問(wèn)世以前，人們所接觸與使用的光，包括熱輻射、固體發(fā)光、氣體放電等，都是發(fā)自大量彼此獨(dú)立的原子（或分子）的光的集合。各個(gè)原子發(fā)出的光在相位上彼此毫無(wú)關(guān)聯(lián)，這種光場(chǎng)稱(chēng)為混沌光場(chǎng)。傳統(tǒng)光學(xué)以混沌光場(chǎng)為研究對(duì)象，判斷相干光也只是以這種光場(chǎng)能否發(fā)生干涉為依據(jù)。因此，相干性的實(shí)質(zhì)被認(rèn)定為：不同時(shí)空點(diǎn)處光場(chǎng)的相位關(guān)聯(lián)程度。（三）量子光學(xué)這是具有極大局限性的相干性概念，它持續(xù)了數(shù)百年。直到1956年

由漢堡、布朗及退斯所完成的光學(xué)關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)又常以三人姓氏第一字母打頭，被稱(chēng)為HBT實(shí)驗(yàn)。這樣，相關(guān)器測(cè)量到的將是兩個(gè)不同時(shí)空點(diǎn)光場(chǎng)強(qiáng)度起伏的關(guān)聯(lián)，不再是過(guò)去的相干實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的光場(chǎng)強(qiáng)度自身的相位關(guān)聯(lián)。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)，他們首次證實(shí)了光場(chǎng)存在有高階相關(guān)效應(yīng)，這是過(guò)去任何經(jīng)典干涉與衍射實(shí)驗(yàn)所沒(méi)能觀察到的。就相干光的頻率而言，光場(chǎng)的強(qiáng)度起伏關(guān)聯(lián)是一個(gè)緩慢變化的量，它的測(cè)量值受到外界的擾動(dòng)要比測(cè)量相位關(guān)聯(lián)微弱得多。（三）量子光學(xué)

HBT實(shí)驗(yàn)給相干性帶來(lái)了全新的概念。根據(jù)經(jīng)典理論，傳統(tǒng)光場(chǎng)的隨機(jī)性只用一個(gè)一階相關(guān)函數(shù)描述就夠了，這就是一階相干度為1時(shí)，即對(duì)應(yīng)完全相干性情況。然而，HBT實(shí)驗(yàn)測(cè)出的光場(chǎng)起伏卻表明，上述相干性的描述并不完備，還必須補(bǔ)充二階或更高階的相關(guān)函數(shù)。只有當(dāng)一階、二階或更高階的相干度均為1時(shí)，才能稱(chēng)為完全相干光。在普通光源情況下，不可能獲得這種真正的完全相干光。然而，一臺(tái)理想的激光器所產(chǎn)生的光場(chǎng)就處于相干態(tài)，只有激光誕生后，人們才有可能獲得真正的相干光源。

2．壓縮態(tài)研究

HBT實(shí)驗(yàn)表明，量子電磁場(chǎng)意義下的相干態(tài)光場(chǎng)，并不是無(wú)噪聲的光場(chǎng)，它們包含了真空起伏的量子漲落，因而具有經(jīng)典體系所不具有的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。這種光場(chǎng)的量子性又導(dǎo)致人們對(duì)壓縮態(tài)的研究。（三）量子光學(xué)根據(jù)量子場(chǎng)論，處于真空中，各量子場(chǎng)的每一個(gè)振動(dòng)模式仍會(huì)不停地振動(dòng)，這種振動(dòng)稱(chēng)為真空零點(diǎn)振蕩。與此同時(shí)，真空中各量子場(chǎng)間還會(huì)相互作用，不斷有各種虛粒子產(chǎn)生、消失或轉(zhuǎn)化，這就是真空的量子漲落。從這種意義上看，真空本身就是一種極其復(fù)雜的媒質(zhì)。當(dāng)用量子場(chǎng)論的觀點(diǎn)、方法研究光的傳播時(shí)，一束具有確定頻率、確定偏振態(tài)和傳播方向的單模光波，其振動(dòng)的模量與相位角均為互不對(duì)易的算符，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，完全相干光條件下的量子相干態(tài)，在振幅平面上不再對(duì)應(yīng)于一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)圓斑。圓斑的大小等于電場(chǎng)的真空起伏漲落，稱(chēng)為零點(diǎn)振動(dòng)。這意味著，即使在“完全黑暗”之中，電磁場(chǎng)仍存在微小的起伏。

近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，光束中的這種量子噪音可以被壓縮到很小，而且，當(dāng)光波的一部分噪音被壓縮至很小時(shí)，另一部分光波噪音卻被放大，而對(duì)被壓縮噪音的光波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其精確度有可能超出測(cè)不準(zhǔn)原理給出的限制。

真空噪音是由許多無(wú)規(guī)則的波構(gòu)成的，它們具有相同的頻率，但振幅與相位卻呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則變化。當(dāng)一定相位的波被放大時(shí)，另外一些波則被衰減。能量重新分配的結(jié)果，腔內(nèi)的真空噪音將由一部分高振幅波與一部分低振幅波組成，這兩部分波的強(qiáng)弱又交替變化著，這種光波即稱(chēng)為壓縮態(tài)。

壓縮光是非經(jīng)典光，它的量子特性對(duì)于揭示場(chǎng)的物理本質(zhì)有著重要的價(jià)值。壓縮態(tài)光場(chǎng)又是通過(guò)非線性過(guò)程由相干光場(chǎng)產(chǎn)生的，對(duì)它的研究又使量子光學(xué)與非線性光學(xué)得到了交叉。同時(shí)，由于壓縮光具有比一般標(biāo)準(zhǔn)量子噪音低的起伏，可以大幅度地提高信噪比，可望能在對(duì)像引力波這樣的微弱信號(hào)檢測(cè)、光通信及原子、分子物理學(xué)等方面得到特殊的應(yīng)用，因此，光壓縮態(tài)研究已成為目前光學(xué)領(lǐng)域中重要的基礎(chǔ)研究與前沿課題之一。（三）量子光學(xué)3．腔量子電動(dòng)力學(xué)量子光學(xué)的目標(biāo)是在量子電動(dòng)力學(xué)的理論框架內(nèi)，重新研究各種非線性相互作用過(guò)程，目的在于揭示各種非經(jīng)典效應(yīng)，研究產(chǎn)生這些效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，并開(kāi)辟它們的應(yīng)用途徑。

處于激發(fā)態(tài)的原子，可以通過(guò)自發(fā)輻射過(guò)程躍遷到基態(tài)。實(shí)際上，引起自發(fā)輻射的物理機(jī)制是真空的量子起伏。由量子電動(dòng)