Quantenoptik

Quạnten|optik,

 

mathematisch konsistente Beschreibung aller optischen Erscheinungen, d. h. der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und ihrer Wechselwirkung mit stofflicher Materie, auf der Grundlage der Quantenfeldtheorie des elektromagnetischen Feldes (Quantenelektrodynamik). Wellen- und Teilchenvorstellungen sind - ebenso wie die geometrische Optik - anschauliche Näherungen für Teilbereiche der Optik. Den wellenoptischen Begriffen a) Frequenz ν, b) Wellenlänge λ und Ausbreitungsrichtung n sowie c) Polarisation entsprechen die Teilchenbegriffe a) Photonenenergie E = hν, b) Impuls p = h̶k (k = 2π / λn Wellenzahlvektor; h̶ = h / 2π, h plancksches Wirkungsquantum) sowie c) Drehimpuls L = ± h̶n. Der wellenoptische Begriff der Kohärenz ist mit der Photonenstatistik verknüpft: vollständig kohärentem (Laser-)Licht entspricht eine Poisson-Verteilung der Photonen, vollständig inkohärentem (thermischen) Licht eine Bose-Einstein-Verteilung (Bose-Einstein-Statistik).

 

Im engeren Sinn beschreibt die Quantenoptik Erscheinungen, die mit der Wellennatur des Lichts allein nicht erklärt werden können, wie Photoeffekt, Compton-Effekt, kohärente Wechselwirkungsprozesse als Grundlage von Masern und Lasern (einschließlich laserspektroskopische Verfahren) sowie nichtklassisches Licht und die Laserkühlung von Atomen.

 

Literatur:

 

P. Meystre u. M. Sargent: Elements of quantum optics (Berlin ²1991);

 M. Orszag: Quantum optics. Including noise reduction, trapped ions, quantum trajectories and decoherence (Berlin 2000);

 W. Vogel u. a.: Quantum optics. An introduction (Berlin ²2001).