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单光子源和探测器书：第 1 章
太初有光。光是美好的。此后不久，人们开始寻求对光的全面理解。虽然出版记录一开始有些零散，但公元前五世纪，希腊哲学家恩培多克勒得出结论，光由从眼睛发出的光线组成。欧几里得在其关于光传播的经典著作《光学》中，使用今天可能被称为局部现实主义的论证对这一观点提出了质疑。欧几里得假设光线是由外部光源发出的。但直到公元 1000 年伊本·海赛姆 (Ibn al-Haytham) 提出这一观点后，这一观点才被确立为科学依据。17 世纪的笛卡尔将光本身的特性描述为“压力”，它通过空间从光源传输到眼睛（探测器）。这个想法后来由惠更斯和胡克发展成为光的波动理论。大约在同一时间，伽森狄提出了相反的观点，即光是一种粒子，牛顿接受了这一观点并进一步发展了这一观点。杨氏 1803 年的双缝实验和菲涅尔的衍射实验普遍认为，光作为粒子和波的不同视角已经得到解决，有利于波动图像。在 19 世纪 60 年代，麦克斯韦方程以一种优雅而令人满意的方式进一步证实了这一结论：预测以光速传播的偏振电磁波。1897 年，J.J. Thomson 发现离散粒子携带负电荷在真空中移动，电磁学的波与流体观由此出现问题。随后在 1900 年，普朗克在“绝望之举”中援引了量化的电磁能量束来推导黑体辐射定律 [2, 3]，这一步不仅包含了玻尔兹曼在统计力学中的先前猜想，而且与传统理解背道而驰。它最初被认为是推导的产物，后来得到纠正，但爱因斯坦在 1905 年对光电效应的描述 [4] 中更加认真地对待光量子理论。随后在 1913 年，玻尔援引了能量和角动量的量化来解释在氢-巴尔末系列中观察到的离散光谱发射线。1924 年，德布罗意基于这些想法假设不仅光，而且物质粒子也具有波状特性，这一假设彻底失败了。随后出现了量子光，这真是太棒了。随后，海森堡、玻恩、薛定谔、泡利和狄拉克等一系列发现和进步建立了量子力学的框架。就本书而言，1927 年，狄拉克将电磁场量化，有效地发展了光理论，涵盖了引发整个革命的物理现象。20 世纪 30 年代，首次在单光子水平上直接探测到光。20 世纪 50 年代原子级联光子对源 [5] 的出现及其在 20 世纪 70 年代和 80 年代的使用 [6–9] 使第一个单光子源问世。
教授沃斯
wlvos@utwente.nl 简历 Willem Vos 于 1991 年凭借其论文“高压下简单系统的相行为”以最高荣誉 (cum laude) 获得阿姆斯特丹大学物理学博士学位。他曾获得美国卡内基科学研究所地球物理实验室的著名卡内基奖学金，在那里他发现了一类在极高压下的新型范德华化合物 (1992 年《自然》论文)。随后，他转而研究光子晶体和胶体物理。他的团队首创了非常受欢迎的“反蛋白石”光子晶体 (1998 年《科学》论文 [>2100x 引用])。自 2002 年起，Vos 担任特温特大学 MESA+ 纳米技术研究所复杂光子系统 (COPS) 教授。他的团队首次展示了使用 3D 光子晶体以及随后的 3D 光子带隙控制光的自发发射。 2005 年，他获得了荷兰科学基金会 NWO 的个人 VICI 资助。Vos 是 APS 和 OSA 的研究员，曾获得法国科学院斯内利厄斯奖章和笛卡尔-惠更斯奖。Vos 的论文平均被引用 45 次以上。他的学生已成为领先机构的教职员工，或在主要行业和非营利组织中谋求职业。摘要 - 应用纳米光子学？纳米光子学应用！纳米光子学领域已经产生了各种各样令人震惊的新科学概念和新应用。由于阿贝衍射极限，透镜和显微镜等传统光学元件无法将光聚焦到深亚波长纳米尺度。但是，人们可以通过使用纳米材料（如超材料、等离子体系统和光子晶体等）仔细操纵近场衰减波，将光压缩到纳米尺度。得益于光电子学和微电子学（我们的东京同事在 3D 带隙晶体中实现微型无阈值激光器方面取得了重大进展）、太阳能电池、光谱学和显微镜学，纳米光子学正在从生物化学到电气工程和数据通信等领域得到应用。在特温特大学的应用纳米光子学 (ANP) 集群中，一个由 80 名研究人员组成的团队研究了各种主题，例如用于存储光的光子晶体、量子保护网络安全、用于芯片行业的高级镜子、复杂介质和可编程片上网络中的量子光处理，以及用于集成光子学的极其精确的微型激光器。ANP 集群是荷兰最大的纳米光子学科学家聚集地。ANP 开创了新的研究领域“波前整形”，将光聚焦在不透明介质内部或外部，并设法透过不透明屏幕！ANP 在光传播的基本原理方面提供了新的见解，并探索了新兴应用（“纳米光子学应用！”），本着特温特大学创业精神。与工业界一起，知识的发展尤其体现在自由形式光散射、光伏、用于量子信息的光子集成电路以及用于水质监测等传感方面。在简要介绍 ANP 之后，我将报告一些最近的研究亮点，包括我们与 Iwamoto 教授和 Arakawa 教授团队的持续合作。