共振荧光中的相干性：单光子自发辐射模型统一解释激光线宽与反聚束效应

研究人员针对共振荧光(RF)中激光线宽与单光子特性难以统一解释的问题，提出纯态自发辐射模型，将RF光子全部视为单次自发辐射事件，首次在单光子水平上理论推导并实验验证了RF一阶相干性g(1)和滤波后超聚束g(2)(0)的激发功率依赖性，解决了传统理论中"相干散射"与"吸收-再发射"模型的矛盾，为量子光源设计提供新思路。

　　

在量子光学领域，共振荧光(RF)作为二能级系统(TLE)与光场相互作用的经典现象，长期以来存在一个理论谜题：为何弱激发下的RF光子既保持驱动激光的窄线宽，又表现出严格的反聚束特性？传统解释需要割裂地使用"被动散射"和"单光子饱和"两种模型，这种理论割裂阻碍了对量子光源相干机制的深入理解。

中国人民大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地提出纯态自发辐射模型，将全部RF光子视为TLE的时序自发辐射事件。该模型通过量子概率幅叠加态（公式(1)），首次统一解释了RF光谱的激光线宽（相干性g⁽¹⁾∝p₀）与单光子特性（g⁽²⁾(0)<0.5）的功率依赖性。研究采用高品质半导体量子点(QD)微柱腔器件（品质因子9350），通过不对称马赫-曾德尔干涉仪(AMZI)和Hanbury Brown-Twiss(HBT)装置，系统测量了从单光子入射水平(???=0.0062)到强激发区(???=6.8)的RF特性。

关键技术包括：1）低温(13.6K)下量子点与微柱腔共振波长(911.54nm)的精确调谐；2）相位锁定AMZI（延迟4.92ns）实现g⁽¹⁾(τ)测量；3）超导纳米线单光子探测器(SNSPD，效率78%，时间抖动48ps)的时间关联测量；4）扫描法布里-珀罗干涉仪(FPI，分辨率20MHz)的高分辨光谱分析。

相干性与激发功率的关系
通过AMZI测量发现：在弱激发时(???<0.01)，RF保持0.946的干涉可见度（理论极限p₀=1/(1+2???η_ab)，η_ab≈0.97），随功率增加可见度先下降后回升，与公式(3)预测完全一致。实验首次验证了单光子入射水平下g⁽¹⁾与???的定量关系。

光子超聚束现象
当AMZI相位锁定为π时，激光成分被完全抑制，剩余宽带成分展现出g⁽²⁾(0)=168.9的超聚束（???=0.0062）。该现象源于双光子干涉与一阶相消干涉的联合作用，实验数据完美符合公式(5)的(1+1/2???η_ab)²理论曲线。

相位依赖的双光子干涉
研究发现：1）基线符合计数随AMZI相位φ变化；2）时延±τ处特征可随功率从谷值转变为峰值（???=0.25时），这种反常行为源于|2?_t态与不完全HOM干涉的竞争（公式(6)-(8)）。

该研究颠覆了传统RF理论中"相干/非相干散射"的二分法，证明所有RF光子本质都是自发辐射事件。模型不仅适用于量子点，也适用于原子、分子等任何二能级系统。研究成果为开发兼具高纯度(g⁽²⁾(0)→0)和高相干性(g⁽¹⁾→1)的量子光源开辟了新途径，在量子安全通信等领域具有重要应用价值。实验观测到的极端超聚束现象(g⁽²⁾(0)>100)为研究非经典光场提供了新平台。