 |
(1) Strahlung einer thermischen Lichtquelle trifft auf einen
Strahlteiler. Jeweils die halbe Strahlungsleistung trifft 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 weitgehend übereinstimmen.
Wenn die Photonen vollkommen zufällig auf den Strahlteiler eintreffen,
sollte es 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 beide
Signale proportional zur momentanen Intensität I bzw. zur Anzahl n der
einfallenden Photonen sind.
(3) Detektor 2 kann zusätzlich noch um die Strecke
Δs verschoben werden. Das Licht auf diesem Weg
trifft dann - klassisch argumentierend - um eine Zeit
τ = Δs/c
verzögert am Detektor ein. |
(4) Das Ausgangssignal des Korrelators kann dann beschrieben werden
als proportional zu k =
<I(t)·I(t+τ)>/<I(t)>2.
I(t) ist dabei die momentane Intensität, 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
<n(t)·n(t+τ)>/<n(t)>2. |
(6) Bei chaotischem und thermischem Licht ergibt sich für
k dem gegenüber eine Kurve gemäß der nebenstehenden Zeichnung.
Was kann man aus ihr herauslesen? Offenbar treten bei kleinen
Verzögerungszeiten τ vermehrt Koinzidenzen
ein: Auf ein nachgewiesenes Photon folgt bei thermischem Licht kurz darauf
mit Vorliebe ein weiteres. Diesen Effekt nennt man
"Bunching" (Häufung). 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 Verzögerungszeiten
τ geraten die beiden Photonengruppen immer mehr
"außer Takt" und nähern sich dem Verhalten unkorrelierter Photonen.
Die Korrelation k sollte also für sehr große
τ gegen 1 streben, wie es die Messung auch zeigt. |
| (7) Als Maß für den Bereich, in dem die eintreffenden
Photonen stark korreliert sind, nimmt man die Kohärenzzeit
Tkoh, die sich z.B. wie in der Zeichnung für thermisches
Licht bestimmen lässt. |
(8) Bei kohärentem Laserlicht ergibt sich eine ganz
andere Kurve. Dort ist k immer 1, unabhängig von der Verzögerung
τ! Grund dafür ist die Poisson-Verteilung
der Photonenzahlen bei kohärentem Licht: Hier ist die Photonenzahl
un-be-stimmt. Misst man diese immer wieder, so erhält man die
unterschiedlichsten Poisson-verteilten Ergebnisse.
Thermisches Licht zeigt "Bunching", Laserlicht nicht! |
Man kann auch "nicht klassisches
Licht" erzeugen, bei dem auf ein nachgewiesenes Photon erst nach
einiger Zeit ein weiteres Photon folgt. Diesen Effekt für nicht klassisches
Licht heißt man "Antibunching". |