5.1　光子计数

无论从经典的波动理论还是从量子理论来说，光学量都是无法测量的。所有光学测量装置都是将一部分光能转化成其他形式的能量进行测量的。例如，照相将光能转化为化学能，光热计将光转化为热能，而光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）则利用光电效应将光能转化为电能进行测量。首先，我们先考虑利用如图5.1所示的光子计数器探测一束光。光子计数器组成如下：一个高度灵敏的光探测器〔如光电倍增管或雪崩式光电二极管（avalanche photodiode，APD）〕与一个电子计数器相连。在使用者设定电脉冲的一定时间间隔后，探测器会响应入射的微弱光束产生短脉冲，而计数器则记录由此产生的脉冲数目。

图5.1　由光电倍增管或雪崩式二极管连接脉冲电子计数器组成的光子计数器

初看起来，计数器记录的是探测器发出的脉冲，而每个脉冲是响应入射光“光子”的离散能量包，因此计数的分布会给出入射光子流的统计信息。不过，问题并不是如此简单。光子计数器记录的每个事件是否与光子统计性质有必然的关联，或只是探测过程的一个假象，这曾是光物理科学长期存在的问题。这意味着我们必须仔细区分两类问题：(https://www.daowen.com)

(1)光探测过程的统计性质；

(2)光束中光子的内禀统计性质。

第一类问题来源于光子计数器的工作原理和探测过程。光子计数器从工作原理上与盖革计数器非常相似，盖革计数器的涨落来源于辐射过程的内禀随机性。光子计数器探测到的光子平均数目依赖于入射光的强度，而它的涨落可能来源于探测器的实际测量过程，比如暗计数等，也就是说每次测量不同，则涨落不同，在计数过程中这样的涨落不在我们的考虑范围内。如果我们将光子探测和计数过程中的涨落看作基本的光子统计，则光子计数的大部分实验结果可以用半经典模型来解释：光是经典的，探测器的光电效应是量子化的。第二类问题则对应着光本身的量子统计性质，相应的实验结果也非常有意思，给出了光量子性的明确证明。从概念的角度出发，量子光学主要研究光的量子性。因此，我们主要从第二类问题出发，首先检查光的内禀统计性质。