Hanbury-Brown/Twiss-Experiment

Würzburger Quantenphysik-Konzept

V34 Hanbury-Brown/Twiss- Experiment (1)

Hanbury-Brown/Twiss- Stellarinterferometer Hanbury-Brown/Twiss-Experiment(2)

Glossar

wissenschaftliche Experimente

Untersuchung der transversalen räumlichen Kohärenz der Strahlung: Messung der transversalen Kohärenzlänge d

(1) Strahlung einer thermischen Lichtquelle (z.B. von einem Stern oder aus einer Quecksilberdampflampe) trifft auf einen Strahlteiler. Er lenkt jeweils die halbe Strahlungsleistung auf Detektor 1 bzw. Detektor 2. Die Ausgangssignale beider Detektoren werden in einem Korrelator miteinander verglichen.
Ein Korrelator multipliziert beide Signale miteinander und mittelt sie über ein bestimmtes Zeitintervall T. Bei thermischem Licht - es mag chaotisch sein wie es will - und bei gleichen Abständen s der Detektoren vom Strahlteiler sollten die beiden Signale in der symmetrischen Position weitgehend übereinstimmen; sie sind stark "korreliert". Wenn die Photonen vollkommen zufällig auf den Strahlteiler eintreffen, sollte es bei den Detektoren zu zufälligen Koinzidenzen (gleichzeitiges Ansprechen) kommen. Wenn die Photonen aber "korreliert" sind, sollte es darüber hinaus zu weiteren Koinzidenzen kommen.

(2) Es handelt sich um "Intensitätskorrelationen", weil die Signale beider Detektoren proportional zur momentanen Intensität I bzw. zur Anzahl n der einfallenden Photonen sind.
(3) Detektor 2 kann zusätzlich noch um die Strecke Δs quer (transversal) zur Richtung des einen Lichtstrahls verschoben werden.
(4) Das Ausgangssignal des Korrelators kann dann beschrieben werden als proportional zu k = <I₁(t)·I₂(t)>/<I₁(t)>². I₁(t) ist dabei die momentane Intensität am Detektor 1, I₂(t) die momentane Intensität am Detektor 2, die spitzen Klammern deuten die zeitliche Mittelung über ein bestimmtes Zeitintervall T an. Indem durch das Quadrat der mittleren Intensität dividiert wird, wird auf 1 normiert: Bei rein zufälligen Koinzidenzen, ohne "Korrelation", sollte der Ausdruck k = 1 ergeben.

(5) Der Ausdruck für k bleibt im Wesentlichen unverändert, wenn man die Intensitäten I durch die zugehörigen Teilchenzahlen n ersetzt. k ist dann proportional zu <n₁(t)·n₂(t)>/<n₁(t)>².
(6) Bei chaotischem thermischen Licht ergibt sich dem gegenüber eine Kurve gemäß der nebenstehenden Zeichnung. Was kann man aus ihr herauslesen? Offenbar treten bei kleinen Querverschiebungen Δs vermehrt Koinzidenzen ein: In der Nachbarschaft eines nachgewiesenen Photons wird bei thermischem Licht mit Vorliebe ein weiteres nachgewiesen. Das ist ein typischer Quanteneffekt, der nichts mit der Bose-Einstein-Statistik der Photonen zu tun hat, vielmehr Ausdruck der starken Intensitätsschwankungen von chaotischem Licht ist. Für sehr große Strecken Δs geraten die beiden Photonengruppen immer mehr "außer Takt" und nähern sich dem Verhalten unkorrelierter Photonen. Die Korrelation k sollte also für sehr große Δs gegen 1 streben, wie es die Messung auch zeigt. Δs wird, von kleinen Werten beginnend, soweit erhöht, bis fast nur noch zufällige Koinzidenzen (Korrelationen) auftreten. Dieser Wert von Δs wird d genannt und entspricht der transversalen Kohärenzlänge.

(7) Aus der transversalen Kohärenzlänge d kann ähnlich wie beim Michelson-Stellar-Interferometer beim HBT-Stellar-Interferometer auf den Winkelabstand von Doppelsternen oder auf den Sterndurchmesser ferner Sterne geschlossen werden.

E
Bei thermischem Licht wird in der Nachbarschaft eines nachgewiesenen Photons mit Vorliebe ein weiteres nachgewiesen.

	(1) Strahlung einer thermischen Lichtquelle (z.B. von einem Stern oder aus einer Quecksilberdampflampe) trifft auf einen Strahlteiler. Er lenkt jeweils die halbe Strahlungsleistung auf Detektor 1 bzw. Detektor 2. Die Ausgangssignale beider Detektoren werden in einem Korrelator miteinander verglichen. Ein Korrelator multipliziert beide Signale miteinander und mittelt sie über ein bestimmtes Zeitintervall T. Bei thermischem Licht - es mag chaotisch sein wie es will - und bei gleichen Abständen s der Detektoren vom Strahlteiler sollten die beiden Signale in der symmetrischen Position weitgehend übereinstimmen; sie sind stark "korreliert". Wenn die Photonen vollkommen zufällig auf den Strahlteiler eintreffen, sollte es bei den Detektoren zu zufälligen Koinzidenzen (gleichzeitiges Ansprechen) kommen. Wenn die Photonen aber "korreliert" sind, sollte es darüber hinaus zu weiteren Koinzidenzen kommen.
(2) Es handelt sich um "Intensitätskorrelationen", weil die Signale beider Detektoren proportional zur momentanen Intensität I bzw. zur Anzahl n der einfallenden Photonen sind. (3) Detektor 2 kann zusätzlich noch um die Strecke Δs quer (transversal) zur Richtung des einen Lichtstrahls verschoben werden.	(4) Das Ausgangssignal des Korrelators kann dann beschrieben werden als proportional zu k = <I₁(t)·I₂(t)>/<I₁(t)>². I₁(t) ist dabei die momentane Intensität am Detektor 1, I₂(t) die momentane Intensität am Detektor 2, die spitzen Klammern deuten die zeitliche Mittelung über ein bestimmtes Zeitintervall T an. Indem durch das Quadrat der mittleren Intensität dividiert wird, wird auf 1 normiert: Bei rein zufälligen Koinzidenzen, ohne "Korrelation", sollte der Ausdruck k = 1 ergeben.
(5) Der Ausdruck für k bleibt im Wesentlichen unverändert, wenn man die Intensitäten I durch die zugehörigen Teilchenzahlen n ersetzt. k ist dann proportional zu <n₁(t)·n₂(t)>/<n₁(t)>².	(6) Bei chaotischem thermischen Licht ergibt sich dem gegenüber eine Kurve gemäß der nebenstehenden Zeichnung. Was kann man aus ihr herauslesen? Offenbar treten bei kleinen Querverschiebungen Δs vermehrt Koinzidenzen ein: In der Nachbarschaft eines nachgewiesenen Photons wird bei thermischem Licht mit Vorliebe ein weiteres nachgewiesen. Das ist ein typischer Quanteneffekt, der nichts mit der Bose-Einstein-Statistik der Photonen zu tun hat, vielmehr Ausdruck der starken Intensitätsschwankungen von chaotischem Licht ist. Für sehr große Strecken Δs geraten die beiden Photonengruppen immer mehr "außer Takt" und nähern sich dem Verhalten unkorrelierter Photonen. Die Korrelation k sollte also für sehr große Δs gegen 1 streben, wie es die Messung auch zeigt. Δs wird, von kleinen Werten beginnend, soweit erhöht, bis fast nur noch zufällige Koinzidenzen (Korrelationen) auftreten. Dieser Wert von Δs wird d genannt und entspricht der transversalen Kohärenzlänge.
(7) Aus der transversalen Kohärenzlänge d kann ähnlich wie beim Michelson-Stellar-Interferometer beim HBT-Stellar-Interferometer auf den Winkelabstand von Doppelsternen oder auf den Sterndurchmesser ferner Sterne geschlossen werden.