Würzburger Quantenphysik- Konzept

G79 Klassisches und nichtklassisches Licht (2)

Hanbury-Brown/Twiss-Versuch Kohärente Zustände

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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.

(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".

(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").

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).