量子光学基础-引言.ppt

量子光学导论,2017-2-20,主要内容,绪论波函数与薛定谔方程算符及运算矩阵力学Dirac算符电磁场量子化描述电磁场量子态光学分束器的量子化描述电磁场与原子的相互作用（简单）,参考书,量子力学，周世勋，高等教育出版社量子力学，曽谨言，科学出版社Quantum Optics,M.O.Scully&S.Zubairy,Cambridge University PressQuantum Optics,D.F.Walls&G.J.Milbrun,Springer,考核,平时40%（课堂出勤+作业）报告60%（纸质1份+presentation）考核时间：5月8日 13：1516：15考核地点：综合楼D309,1 引言,2 普朗克的能量子假说,4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,3 爱因斯坦的光量子假设,5 激光器的工作原理,6 与其它学科的联系,热辐射,黑体辐射,基尔霍夫定律,斯特潘-玻耳兹曼定律维恩位移定律,维恩公式瑞利-金斯公式,普朗克量子假设,爱因斯坦光量子假设,光电效应,康普顿散射,光的粒子性,光的波粒二象性,光的波动性,“There is nothing new to be discovered in physics now.All that remains is more and more precise measurement.”,“two small,puzzling clouds remained on the horizon”.,-1900,Lord Kelvin,黑体辐射问题“紫外灾难”；,光电效应nn0,无论I多大,没有光电子逸出;而它的能量只与n有关,和I无关；,原子的线状光谱及其规律,巴尔末公式的物理机制？,原子稳定性；,固体分子的比热问题:0；,经典物理的几个困难：,两大新理论的诞生：狭义和广义相对论；量子力学,1 引言,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学理论.,量子力学,经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相 对 论,量子力学,所有物体在任何温度下都要发射电磁波，这种与温度有关的辐射称为热辐射(heat radiation)。,热辐射的电磁波的波长、强度与物体的温度有关，还与物体的性质和表面形状有关。,2 普朗克的能量子假说,1.热辐射的基本概念,一、热辐射现象,False-colour infrared image of Whirlpool galaxy,Thermogram of man,单色辐出度M：为了描述物体辐射能量的能力，定义物体单位表面在单位时间内发出的波长在附近单位波长间隔内的电磁波的能量，为单色辐出度M，即,辐出度 M(T):物体从单位面积上发射的所有各种波长的辐射总功率称为物体的总辐出度 M(T),单色吸收比:当辐射从外界入射到物体表面时，在到+d的波段内吸收的能量“E吸收 d”与入射的总能量“E入射 d”之比:,吸收比:当辐射从外界入射到物体表面时，吸收能量与入射总能量之比:,吸收能力的量度,同一个物体的发射本领和吸收本领有内在联系,室温下的反射光照片,1100K的自身辐射光照片,2.基尔霍夫定律,基尔霍夫定律：实验发现，在温度一定时，物体在某波长处的单色辐出度与单色吸收比的比值与物体及其物体表面的性质无关，即,一个好的发射体一定也是好的吸收体。,黑体:能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体,显然，黑体的吸收比和单色吸收比为100%,黑体是最理想模型，（如图）在不透明材料围成的空腔上开一个小孔。该小孔的可认为是黑体的表面。,黑体能吸收各种频率的电磁波，也能辐射各种频率的电磁波。,思考：黑色的物体是黑体吗？,二、黑体辐射的基本规律,实验结果:,太阳,钨丝,黑体辐射规律:,（1）斯忒藩玻尔兹曼定律,斯忒藩玻尔兹曼常量,（2）维恩位移定律,常量,峰值波长,以上两个实验定律是遥感、高温测量和红外追踪等技术的物理基础。,（3）维恩定律,（c2和c3为经验参数）,（4）瑞利-金斯定律,经典理论在短波区域的失败成为“紫外灾难”。,（5）普朗克经验公式,在长波情况下：,瑞利-金斯公式,在短波情况下：,维恩公式,三、普朗克的能量子假设,普朗克常量,普朗克黑体辐射公式,空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为,经典理论的基本观点：,（1）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。,（2）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的。,（3）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。,光电效应：当一束光照射在金属表面上时，金属表面有电子逸出的现象。,一、光电效应,3 爱因斯坦的光量子假设,光电效应的实验规律:,电流饱和值,（光强）,增加电压U，光电流随之增加，直至饱和。,当反向电压U=Us时,光电流 I=0。对应的电压称为遏止电压.,Us对应于光电子刚好不能到达A极。,遏止电压,电压U=0时，光电流 I 0,截止频率（红限）,几种纯金属的截止频率,仅当 才发生光电效应，截止频率与材料有关，与光强无关.,电子逸出金属表面要克服逸出电势做功，这个功称为逸出功.,遏止电压 与光强无关,与入射光频率具有线性关系.,光电效应瞬时响应的性质。t 10-9秒,按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符.,经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属.与实验结果不符.,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,二、爱因斯坦光子假设(1905),爱因斯坦的光量子论,（1）“光量子”假设,光子的能量为,（2）解释实验,爱因斯坦光电方程,逸出功与材料有关,对同一种金属，一定，与光强无关,逸出功,光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，光电流越大.（时）,光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一 次性被一个电子吸收，若，电子立即逸出，无需时间积累（瞬时性）.,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,的测定,爱因斯坦方程,解（1）,（2）,（3）,例 设有一半径为 的薄圆片，它距光源1.0m.此光源的功率为1W，发射波长为589nm的单色光.假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.,解,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,光电效应在近代技术中的应用,光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.,光电倍增管,康普顿效应：在散射的 x射线中，不但存在与入射线波长相同的反射线，同时还存在波长大于入射线波长的反射线现象。,三、康普顿效应,(18921962)美国物理学家,1、散射光中除了原波长0外，还出现比原波长大的；,2、波长的改变量-0随散射角的增加而增加；,3、随着散射角的增大，新波长谱线强度增大，而原波长谱线强度降低；,4、对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变量-0都相同。,光量子理论对康普顿效应的解释,康普顿波长：,结论：1、波长的改变量与散射角有关，散射角 越大，也越大。,2、波长的改变量与入射光的波长无关。,可见光 的数量级：,x光 的数量级：,光具有波-粒二象性,光的波粒二象性,（2）粒子性：（光电效应等）,（1）波动性：光的干涉和衍射,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,例：求康普顿散射实验中反冲电子的动量与动能,y,例 在康普顿效应中，入射光子的波长为310-3 nm，反冲电子的速度为光速的 60%，求散射光子的波长和散射角。,解：,END,4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,氢 气 的 吸 收 光 谱,4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,各种光谱连续光谱H的发射光谱钠的发射光谱钠的吸收光谱太阳的吸收光谱,一、氢原子光谱,巴尔末公式：,4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,实验值：,波数：,里德伯常数：,莱曼系：（紫外光）,帕邢系：（红外光）,布拉开系：（红外光）,普丰德系：（红外光）,(n m),谱线的波数可以表示为两光谱项之差。,光谱项：,广义巴尔末公式：,二、经典原子模型的困难,汤姆逊面包夹葡萄干模型,整个原子呈胶冻状的球体，正电荷均匀分布于球体上，而电子镶嵌在原子球内，在各自的平衡位置作简谐振动并发射同频率的电磁波。,卢瑟福的核式模型,粒子散射,原子的核式模型：,原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。,经典核模型的困难,根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波.,玻尔假设：,1、原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。,而轨道的角动量呈量子化。,2、当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。,三、玻尔的氢原子理论,3、对应原理：在极限条件下，新理论应与旧理论形式一致。新理论应包含一定经验范围内证明是正确的旧理论。,玻尔氢原子理论在量子数n很大时，应与经典理论一致。,玻尔量子化条件：,电子的轨道半径：,轨道能量：,氢原子的基态能量：,氢原子能级：,比较,例 如用能量为12.6 eV的电子轰击氢原子，将产生那些光谱线？,解：,可取 n=3,可能的能级跃迁：31，32，21,1.波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上.（普朗克常数h=6.62610-34Js，钠的逸出功为2.28eV）求：（1）这种光的光子能量和动量；（2）光电子逸出钠表面时的动能；（3）若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？2.如用能量为12.9 eV的电子轰击氢原子，将产生那些光谱线？（氢原子的基态能量为-13.6eV）,作业：,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,前言,激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”。,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),5 激光器的工作原理,一.特点：,方向性极好（发散角10-4弧度）,脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）,空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。,时间相干性好（10-8埃），相干长度可达几十公里。,相干性极好,亮度极高,按工作方式分,连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达1014 W）,三.波长：极紫外可见光亚毫米,(100 n m）（1.222 m m）,二.种类：,固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓 GaAs）,按工作物质分,1.粒子数按能级分布：玻尔兹曼分布,在热平衡条件下，处在高能级上的粒子的数目总是少于低能级上的粒子的数目；绝大多数的粒子都处在基态，能级能量越高，粒子数越少。如：氖原子3s激发态与基态在常温下(T=300K)，两能级的粒子数之比为N2/N1=e-653 1,一、自发辐射 受激辐射和吸收,2.自发辐射(spontaneous radiation),设 N1、N2 单位体积中处于E1、E2能级的原子数。,单位体积中单位时间内，从E2 E1自发辐射 的原子数：,h,写成等式,21 自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。,各原子自发辐射的光是独立的、无关的 非相干光。,：平均寿命,3受激辐射(stimulated radiation),全同光子,受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同-有光的放大作用。,单位体积中单位时间内，从E2 E1受激辐射 的原子数：,W21 受激辐射系数,u(n)频率n附近单位频率间隔的外来光强度,4.受激吸收(absorption),h,上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。,单位体积中单位时间内，从E1 E2受激吸收 的原子数：,二、粒子数反转和光放大,热平衡时，诱发受激辐射的光子遇到低能级上粒子而发生吸收的概率远远遇到高于高能级上的粒子而发生受激辐射的概率。,受激辐射过程胜过吸收过程，必须使得处在高能级上的粒子数目大于低能级上的粒子数目，称为粒子数反转。,能实现粒子数反转的物质工作物质,有适当的能级结构，亚稳态外界提供能量，泵浦(抽运)。,三、激光器的工作原理,1.激光器的结构,常用激光器由三部分组成：,工作物质 泵浦源 光学谐振腔,实现粒子数反转工作物质抽送粒子到激发态，从而形成粒子数反转激励装置 实现光放大光学谐振腔,具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。,红宝石激光器（三能级系统）,2.工作物质,红宝石激光：6943A,梅曼和第一只激光器,红宝石激光器,氦氖激光器（四能级系统）,氦氖激光：6328A,全反射镜,部分反射镜,谐振腔长度：,3.光学谐振腔,在工作物质的两端安置两块反射镜面，一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空间称为光学谐振腔。,沿光轴方向运动的光子，反复多次反射产生雪崩式放大，从部分反射镜射出形成激光。,激光工作物质,全反射镜,半反射镜,工作原理：,out,光放大原理,谐振腔的作用：,（1）维持光振荡，起到光放大作用；,（2）使激光产生极好的方向性；,（3）使激光的单色性好，能选频；,相邻纵模频率间隔：,本身谱线宽度如果小于相邻纵模频率间隔，则只可能存在一个纵模，使激光具有很好的单色性。,4.增益系数,要形成激光，要求增益至少要大于损耗。,量子光学（Quantum Optics）是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。,量子力学（Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。,6 与其它学科的联系,量子信息(quantum information)是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。通过量子系统的各种相干特性（如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等），进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。,量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。,量子场论（Quantum Field Theory）是量子力学和经典场论相结合的物理理论，已被广泛的应用于粒子物理学和凝聚态物理学中。它为描述多粒子系统，尤其是包含粒子产生和湮灭过程的系统，提供了有效的描述框架。非相对论性的量子场论主要被应用于凝聚态物理学，比如描述超导性的BCS理论。而相对论性的量子场论则是粒子物理学不可或缺的组成部分。,