基于费曼路径积分的光的二阶干涉理论及实验研究

The research on the interference of light is very important to understand the physics of light. There are first-, second- and higher-order interference. The second-order is the ideal object to study the higher-order interference, for it is the simplest higher-order interference. There are two different theories towards understanding the second-order interference of thermal light. One is classical intensity fluctuation correlation theory, and the other one is quantum optical coherence theory based on the wave mechanics formulation of quantum mechanics. These two theories are helpful to understand the second-order interference. However, there is a hot debate about the physics of second-order interference of thermal light between these two different theories. In this project, we will study the second-order interference of light via Feynman’s path integral theory, hoping to understand the physics of second-order interference and the relationship between these two existed theories better. Based on the theoretical and experimental researches on the second-order interference of two independent light beams in a Hong-Ou-Mandel interferometer, we will form a second-order coherence theory via Feynman’s path integral theory and apply it to discuss the physical origin of anticorrelation in the Hong-Ou-Mandel interferometer. These researches are helpful to understand the second-order interference of light and the physics of light via interference.

研究光的干涉对理解光的本质有重要意义。干涉分为一阶、二阶和高阶干涉，其中二阶干涉作为最简单的高阶干涉，是研究高阶干涉的理想对象。目前热光二阶干涉的理论主要有经典强度涨落关联理论和基于波动力学的量子相干理论，这两种理论对理解二阶干涉都有很大的帮助，但是目前这两种理论对热光二阶干涉的物理机制还存在较为激烈的争论。本项目将利用费曼路径积分来研究二阶干涉，目的是借助费曼路径积分具有的简单直观的优势更好地理解二阶干涉，探讨现有的两种不同理论之间的关系。通过对两束独立光在Hong-Ou-Mandel干涉仪中的二阶干涉进行理论和实验研究，提出一个基于费曼路径积分的二阶干涉理论并利用这个理论解释Hong-Ou-Mandel干涉仪中反关联的物理机制，这些研究对于人们认识二阶干涉具有重要的理论意义和实际价值，同时也为通过干涉认识光的本质提供一定的理论与实验依据。

光的二阶和高阶干涉不仅在现代量子光学基础研究领域有重要的意义，在量子通信、量子成像以及量子计算等方面也有重要的应用。本项目利用费曼路径积分理论解释光的二阶干涉，帮助人们认识二阶干涉背后的物理，从而进一步认识光子的本质。.我们从理论和实验上系统地研究了两束独立经典光在Hong-Ou-Mandel干涉仪中的二阶干涉现象，如两束独立热光、两束独立激光、一束激光和一束热光等，发现在这些系统中均可以观测到反关联现象。另外我们也从理论上研究了经典光和非经典光在非对称分束器组成的Hong-Ou-Mandel干涉仪中的二阶干涉。通过研究我们发现：能否发生二阶干涉与光子究竟从哪种光源发出无关，关键是光源发出的光子到达探测器的双光子路径是否可分。如果可分，则没有二阶干涉条纹；如果不可分，则有二阶干涉条纹。虽然有无二阶干涉与光源种类无关，但是二阶干涉条纹的可见度与光源的类型有关，如两束独立经典光的二阶干涉条纹可见度最高不能超过50%，当两个独立的单光子源发出的光子进行二阶干涉的时候，二阶干涉条纹的可见度可以达到100%。.我们完成了两台独立He-Ne激光器发出的光的二阶时间干涉实验，同时也研究了两台波长可调激光器发出的激光的二阶干涉条纹随着激光频率差增大的变化规律。根据玻色子和费米子统计特性，发现玻色子的二阶干涉条纹可以用来帮助理解费米子的二阶干涉现象，费米子的二阶干涉条纹与玻色子的二阶干涉条纹在相同的干涉仪中是互补的，并利用这个性质研究了费米子鬼成像的相关问题。.在利用费曼路径积分研究双光子干涉的过程中我们发现，如果增加双光子干涉路径，就有可能提高光的二阶相干度。在此基础上，我们提出了基于毛玻璃、透镜、小孔等线性光学元器件实现超聚束赝热光源的方案，并从经典理论和量子理论两个方面解释了超聚束效应的来源。我们提出的这种新型超聚束赝热光源将有利于提高热光鬼成像的可见度，同时对于人们认识光的二阶和高阶关联的本质也有重要的意义。