5.1. Quantenmechanische Beschreibung des Strahlungsfeldes und der Atome im HEISENBEBG-Bild

Harry Paul

Harry Paul

Harry Paul

T. Altevogt

Bei der theoretischen Beschreibung von spektroskopischen Experimenten wird in der Regel das Materiesystem quantenmechanisch beschrieben, während das Strahlungsfeld klassisch behandelt wird. Diese semiklassische Näherung ist zur Beschreibung von Experimenten, bei denen eine starke Kopplung zwischen dem Matriesystem und einzelnen Photonen besteht, nicht mehr gültig. Dies kann beispielsweise innerhalb eines optischen Resonators der Fall sein. In dieser Arbeit wird am Beispiel eines Pump-Test- Experiments zum Nachweis des optischen Stark-Effekts untersucht, welche zusätzlichen Effekte sich bei einer quantisierten Beschreibung des Strahlungsfeldes ergeben. Ein signifikanter Effekt ist, dass die Photonenstatistik des Pumpfeldes sich in der Linienform der verschobenen Resonanzlinie widerspiegelt. Weiter wurde in dieser Arbeit bei kleiner Pumpverstimmung ein Verstärkungseffekt gefunden, der ebenfalls auf der quantisierten Behandlung des Strahlungsfeldes beruht (nichtklassische Verstärkung). Es treten ferner bei grosseren Ensemblen von Zwei-Niveau -Systemen zusätzliche Unterstrukturen und Resonanzen auf. Auch kann der Nachweis des optischen Stark-Effekts Aufschluss über die Nichtdiagonalelemente bezüglich der Photonenzahl des quantisierten Pumpfeldes geben.Im Hinblick auf die Beschreibung komplexer Materiesystemen wurde in dieser Arbeit auch eine näherungsweise Berechnung der Testabsorption mit quantisiertem Strahlungsfeld im Rahmen einer Dichtematrixtheorie untersucht. Insbesondere war hier für die quantitative Beschreibung der nichtklassischen Verstärkung eine Berücksichtigung hoherer Korrelationen zwingend erforderlich. Auch wurden näherungsweise Entkopp- lungen unter Berücksichtigung der Erhaltungsgrossen durch- geführt. Die Dichtematrixtheorie wurde auf die Untersuchung des optischen Stark-Effektes an storstellengebundenen Exzitonen in Halbleitern angewandt. Da diese Resonanzen vergleichsweise kleine homogene und inhomogene Linienbreiten aufweisen,ist hier experimentell zu erwarten, dass sich feine Effekte des quantisierten Pumpfeldes bemerkbar machen konnen.

W. Brunner, Henryk Paul, G. Richter

Abstract Im Rahmen des Modells von Gordon, Walker und Louisell werden die Absorption und die Streuung eines Lichtstrahls an sehr vielen idealisierten Atomen im Hinblick darauf untersucht, ob bei diesen Prozessen eine Änderung der Kohärenzeigenschaften des Strahlungsfeldes eintritt. Im Falle der Streuung wird dabei angenommen, daß die Atome, welche in ihrer Gesamtheit eine Spiegelfläche darstellen sollen, statistisch regellos in einer Ebene angeordnet sind. Die Rechnung zeigt, daß die — das Kohärenzverhalten bestimmende — „relative reduzierte Streuung”︁ der elektrischen Feldstärke des Strahlungsfeldes bei Absorption und Reflexion praktisch unverändert bleibt; im besonderen erweist sich damit die klassische Elektrodynamik bezüglich der Kohärenzaussagen auch im mikroskopischen Bereich noch als gültig.