Fotodetekcja

Ten artykuł dotyczy teoretycznego opisu kwantowego procesu fotodetekcji. Aby zapoznać się z zastosowaniami procesów fotodetekcji, zobacz fotodetektor .

W swoim historycznym artykule zatytułowanym „The Quantum Theory of Optical Coherence” Roy J. Glauber położył solidne fundamenty pod przedsięwzięcie związane z elektroniką kwantową i optyką kwantową . Eksperymentalny rozwój masera optycznego , a później lasera w tamtym czasie sprawił, że klasyczna koncepcja spójności optycznej była niewystarczająca. Glauber rozpoczął od kwantowej teorii wykrywania światła, rozważając proces fotojonizacji, w którym fotodetektor jest wyzwalany przez jonizującą absorpcję fotonu. W kwantowej teorii promieniowania operator pola elektrycznego w mierniku kulombowskim można zapisać jako sumę dodatnich i ujemnych części częstotliwości

${\ Displaystyle E (\ mathbf {r}, t) = E ^ {(+)} (\ mathbf {r} ,t)+E^{(-)}(\mathbf {r} ,t)}$

Gdzie

${\ Displaystyle E ^ {(-)} (\ mathbf {r}, t) = E ^ {(+)} (\ mathbf {r} ,t)^{\sztylet}}$

mi $\ mathbf {r}, t)}$ w kategoriach trybów normalnych w następujący sposób:

${\ Displaystyle E ^ {(+)} (\ mathbf {r}, t) = i \ suma _ {j} \ lewo ({\ Frac {\ hbar \ omega _ {j}} {2}} \ prawej) ^{1/2}{\kapelusz {a}}_{j}\mathbf {\varepsilon} _{j}e^{i(\mathbf {k} _{j}\cdot \mathbf {r} -\ omega _{j}t)}}$

gdzie ${\ Displaystyle \ mathbf {\ varepsilon} _ {j}}$ to wektory jednostkowe polaryzacji; to rozwinięcie ma taką samą postać jak klasyczne $,$ z wyjątkiem tego, że teraz amplitudy pola operatorami

Glauber wykazał, że dla idealnego fotodetektora umieszczonego w punkcie ${\ Displaystyle {\ to {t}} + d {\ to {t}}}$ promieniowania prawdopodobieństwo zaobserwowania zdarzenia fotojonizacji w tym $detektorze$$między$ t jest proporcjonalne do ${\ Displaystyle W_ {I} (\ mathbf {r}, t) re {\ to {t}}}$ , gdzie

${\ Displaystyle {W_ {ja} (\ mathbf {r}, t) }=\langle \psi \mid {E^{(-)}(\mathbf {r} ,t)}\cdot {E^{(+)}(\mathbf {r} ,t)}\mid \psi \rangle }$

i ${\ Displaystyle | \ psi \ rangle}$ określa stan pola. Ponieważ pole promieniowania jest polem kwantowo-mechanicznym, nie znamy dokładnych właściwości padającego światła, a prawdopodobieństwo należy uśrednić, tak jak w teorii klasycznej, aby było proporcjonalne do

${\ Displaystyle \ langle {\ kapelusz {a}} _ {j} ^ {\ sztylet} {\ kapelusz {a}} _ {j} \ rangle}$

gdzie nawiasy kątowe oznaczają średnią w polu świetlnym. Znaczenie kwantowej teorii koherencji polega na uporządkowaniu operatorów tworzenia i niszczenia za ${\ Displaystyle {\ kapelusz {a}} _ {j} ^ {\ sztylet}}$ za $\ displaystyle { \kapelusz {a}}_{j}}$ :

${\ Displaystyle [{\ kapelusz {a}} _ {j}, {\ kapelusz {a}} _ {j} ^ {\ sztylet}] = 1}$

Ponieważ za $} ^ {\ sztylet} {\ kapelusz {a}} _ {j}} nie jest$${\ Displaystyle {\ hat {a}} _ {j} {\ hat {a}} _ {j} ^ {\ sztylet}}$ równy za dla pola świetlnego kolejność sprawia, że ​​​​kwantowe pomiary statystyczne (takie jak liczenie fotonów) są dość odmiennych od klasycznych, tj. nieklasycznych właściwości światła, takich jak antibunching fotonów .

Co więcej, teoria fotodetekcji Glaubera ma daleko idące fundamentalne znaczenie dla interpretacji mechaniki kwantowej . Teoria detekcji Glaubera różni się od probabilistycznej interpretacji Borna tym, że wyraża znaczenie praw fizycznych w kategoriach mierzonych faktów (związków), zliczania zdarzeń w procesach detekcji, bez zakładania cząsteczkowego modelu materii. Koncepcje te w naturalny sposób prowadzą do relacyjnego podejścia do fizyki kwantowej.