Основы квантовой оптики: от теории к практике

Квантовая оптика 1 - основы квантовой оптики Квантовая оптика

Квантовая электроника

Квантовая электроника это термин, который использовался в основном между 1950-ми и 1970-ми годами для обозначения области физика имея дело с последствиями квантовая механика о поведении электроны в материи, вместе с их взаимодействием с фотоны. Сегодня это редко рассматривается как отдельная область, и она была поглощена другими областями

Физика твердого тела регулярно принимает во внимание квантовую механику и обычно занимается электронами. Конкретные приложения квантовой механики в электроника исследуется в физика полупроводников

Термин также охватывал основные процессы лазер операция, которая сегодня изучается как тема квантовой оптики. Использование этого термина совпало с ранней работой над квантовый эффект холла и квантовые клеточные автоматы.

дальнейшее чтение

  • Л. Мандель, Э. Вольф Оптическая когерентность и квантовая оптика (Кембридж, 1995).
  • Д. Ф. Уоллс и Г. Дж. Милберн Квантовая оптика (Спрингер, 1994).
  • Криспин Гардинер и Питер Золлер, Квантовый шум (Springer 2004).
  • H.M. Моя-Сесса и Ф. Сото-Эгибар, Введение в квантовую оптику (Ринтон Пресс 2011).
  • М. О. Скалли и Зубайри М.С. Квантовая оптика (Кембридж, 1997).
  • В. П. Шлейх Квантовая оптика в фазовом пространстве (Wiley 2001).
  • Кира, М .; Кох, С. В. (2011). Полупроводниковая квантовая оптика. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521875097.
  • Ф. Ж. Дуарте (2014). Квантовая оптика для инженеров. Нью-Йорк: CRC. ISBN  978-1439888537.

Развитие квантовой оптики и фотонная теория света

Теория о том, что свет движется в дискретных пучках (то есть фотонах), была представлена ​​в статье Макса Планка 1900 года об ультрафиолетовой катастрофе в излучении черного тела. В 1905 году Эйнштейн расширил эти принципы в своем объяснении фотоэлектрического эффекта, чтобы определить фотонную теорию света.

Квантовая физика развивалась в течение первой половины двадцатого века в значительной степени благодаря работе над нашим пониманием того, как фотоны и вещество взаимодействуют и взаимосвязываются. Это, однако, рассматривалось как исследование вопроса, затрагивающего больше, чем свет.

В 1953 году был разработан мазер (который излучал когерентные микроволны), а в 1960 году – лазер (который излучал когерентный свет). По мере того, как свойство света, связанного с этими устройствами, становилось все более важным, квантовая оптика стала использоваться в качестве термина для этой специализированной области исследования.

5.3. Теория фотоэффекта

Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Энергия E каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:

\ где h — постоянная Планка.

Из того факта, что свет излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура самого света. «Если пиво всегда продается в бутылках, содержащих пинту, — говорил Эйнштейн, — отсюда не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте».

Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.

Максимальную кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света h∙ν идет на совершение работы выхода A, т. е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии. Следовательно,

\

Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов, согласно (5.3.2), определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не зависит.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота ν света больше минимального значения νmin. Ведь чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода A. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы:

\

Предельную частоту νmin называют красной границей фотоэффекта. Она выражается так:

\

Работа выхода A зависит от рода вещества. Поэтому и предельная частота νmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна.

Для цинка красной границе соответствует длина волны λmax = 3,7∙10–7 м (ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи.

Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэтому в опыте, описанном в § 5.2, использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны λmax, соответствующая красной границе, больше. Так, для натрия λmax = 6,8∙10–7 м.

Пользуясь уравнением Эйнштейна (5.3.2), можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально определить частоту света ν, работу выхода A и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Такого рода измерения и расчеты дают: h = 6,63∙10–34 Дж∙с. Точно такое же значение было найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, подтверждает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом.

Концепции

Согласно с квантовая теория свет можно рассматривать не только как электромагнитная волна но также как «поток» частиц, называемый фотоны которые путешествуют с c, вакуум скорость света. Эти частицы не следует рассматривать как классические бильярдные шары, но как квантово-механические частицы, описываемые волновая функция распространяться по конечной области.

Каждая частица несет один квант энергии, равный hf, где час является Постоянная Планка и ж это частота света. Эта энергия, которой обладает одиночный фотон, точно соответствует переходу между дискретными уровнями энергии в атоме (или другой системе), который испустил фотон; Материальное поглощение фотона – обратный процесс. Объяснение Эйнштейном спонтанное излучение также предсказал существование стимулированное излучение, принцип, на котором лазер отдыхает. Однако настоящее изобретение мазер (и лазер) много лет спустя зависел от метода производства инверсия населения.

Использование статистическая механика лежит в основе концепций квантовой оптики: свет описывается в терминах операторов поля для создания и уничтожения фотонов, т. е. на языке квантовая электродинамика.

Часто встречающееся состояние светового поля – это когерентное состояние, как введено E.C. Джордж Сударшан в 1960 году. Это состояние, которое может быть использовано для приближенного описания выхода одночастотного лазер значительно выше лазерного порога, показывает Пуассоновский статистика числа фотонов. Через определенные нелинейный взаимодействия, когерентное состояние может быть преобразовано в сжатое когерентное состояние, применяя оператор сжатия, который может показать супер – или субпуассоновский статистика фотонов. Такой свет называется сжатый свет. Другие важные квантовые аспекты связаны с корреляциями статистики фотонов между различными пучками. Например, спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты может генерировать так называемые «двойные лучи», где (в идеале) каждый фотон одного луча связан с фотоном другого луча.

Атомы считаются квантово-механическими. генераторы с дискретный энергетический спектр, с переходами между энергиями собственные состояния управляются поглощением или излучением света согласно теории Эйнштейна.

Для твердого тела используется диапазон энергии модели физика твердого тела

Это важно для понимания того, как свет обнаруживается твердотельными устройствами, обычно используемыми в экспериментах

Rate article