G79 Klassisches und nichtklassisches Licht (2) |
Es gibt noch eine andere Betrachtungsweise statt der von "Klassisches und nicht klassisches Licht (1)". Dazu wählt man eine Zeiger-Darstellung für das jeweilige Licht.
(1) Für klassisches kohärentes Licht (eine ideale elektromagnetische Welle) beschreibt die Länge des Zeigers die Amplitude (der elektrischen Feldstärke), der Winkel φ die Anfangsphase der Welle zur Zeit 0 [siehe unten, Zeichnung (a)]. Der Zeiger dreht sich dann noch abhängig von Zeit und Ort, aber das soll im Diagramm nicht dargestellt werden.
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(2) Bei thermischem Licht sind die verschiedensten Amplituden und Phasen beteiligt. Die Zeiger-Darstellung füllt einen ganzen Bereich um den Ursprung aus, entsprechend den starken Intensitäts- und Phasenfluktuationen. Hinzu kommen noch - hier nicht dargestellt - Fluktuationen der Polarisation. Je größer die Punktdichte, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der zugehörigen Amplitude und Phase. |
(3) Bei quantentheoretisch beschriebenem kohärenten Licht (in kohärente Zuständen) ähnelt das Zeiger-Diagramm dem von (a), berücksichtigt aber, dass Amplitude (im Zusammenhang mit der Teilchenzahl) und Phase un-be-stimmt sind. Tatsächlich ist es gerade dadurch ausgezeichnet, dass die gemeinsamen Un-be-stimmtheiten, entsprechend einer Un-be-stimmtheits-Relation, minimal sind. Je größer die Amplitude (Teilchenzahl) ist, desto weniger machen sich im Zeiger-Diagramm die (relativen) Un-be-stimmtheiten bemerkbar.
(4) Bei nichtklassischem kohärentem Licht werden die Un-be-stimmtheiten manipuliert. Entsprechend der HUR wird die Phasen-un-be-stimmtheit verringert, wenn die Teilchenzahl-Un-be-stimmtheit vergrößert wird und umgekehrt. Man spricht dann von "gequetschtem Licht".
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(a) Bei einer klassischen elektromagnetischen Welle
beschreibt die Zeigerlänge die Amplitude
und der Winkel φ die Anfangsphase. Beide Größen sind
be-stimmt.
(b) Bei Laserzuständen (kohärente Zustände) sind Amplitude und Phase un-be-stimmt. Es zeigen sich Quantenfluktuationen. (c) phasen-gequetschtes nichtklassisches Licht: Mit abnehmender Phasen-un-be-stimmtheit wächst die Amplituden-un-be-stimmtheit. (d) amplituden-gequetschtes nichtklassisches Licht: Mit abnehmender Amplituden-un-be-stimmtheit wächst die Phasen-un-be-stimmtheit. Amplituden- und Phasen-un-be-stimmtheit genügen außer im klassischen Fall bei (a) immer einer Un-be-stimmtheitsrelation*) und können zusammen ein Mindestmaß nicht unterschreiten. Bei kohärenter Strahlung ist dieses Mindestmaß gerade eingehalten ("Minimalpaket"). |
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Zeitverlauf von Messwerten für die elektrische Feldstärke E.
(a) Bei einer klassischen elektromagnetischen Welle: Amplitude und Phase sind gleichzeitig scharf. (b) Bei einem Laser-Zustand sind Amplitude und Phase beide un-be-stimmt, aber zusammen minimal. (c) Bei einem amplituden-gequetschten Zustand ist die Amplituden-un-be-stimmt- heit gering, die Phasen-un-be-stimmtheit groß. (d) Bei einem phasen-gequetschten Zustand sind die Verhältnisse umgekehrt. |
*) Genauer - nach R. Loudon ("The quantum theory of light") - für Teilchenzahl N und cos(φ) oder sin(φ).