Лекция 15: Фотоны и квантовая оптика
Квантовая оптика
Частицы |
Волны |
Дуализм
Квантовая
оптика
• |
17th century : Newton |
частицы |
|
• |
19th century : Fresnel, Maxwell... |
волны |
|
• |
1900s : Planck, Einstein |
частицы |
|
•1920s : Quantum mechanics
•1950s : Quantum Electrodynamics
•1960s : Quantum Optics
Свет в замкнутом объеме
Исследования Рэлея и Джинса. • В классической электромагнитной теории
|
|
|
Е |
|
|
Энергия моды |
|
УФ катастрофа |
|
|
|
|||
• |
|
|
|
|
Теория фотонов (квантовая) |
|
|
|
|
|
|
|||
Квантовая оптика
•Раздел квантовой электродинамики. Поля Е и Hи рассматриваются как операторы в гильбертовом пространстве. Все наблюдаемые величины описываются статистически.
•Применения в которых используется квантовая оптика:
–Термография (излучение черного тела)
–Лазеры
–Фотодетекторы
Фотоны
•Квантовая частица описывающее электромагнитное поле.
Свойства фотонов
• Энергия (принцип неопределенности)
Чем выше частота тем выше энергия фотонов тем меньше число фотонов и тем сильнее проявляются квантовые свойства
•Поляризация
Описывается статистически через вероятность
Свойства фотонов
• Интенсивность |
Вероятность обнаружения фотона в заданной области пропорциональна |
|
|
|
интенсивности света |
|
Мы не знаем где находится фотон, но точно знаем что его нет в области где |
|
интенсивность «0» |
|
Усреднение по большому числу фотонов дает распределение интенсивности |
Тэйлор (1909) : Опыт Юнга с ослабленным источником
веча на расстоянии более
Фото- пластинк
а
Время экспозиции
each photon then interferes only with itself”, Dirac
Свойства фотонов
•Квантовое описание энергетических характеристик света
Среднее число фотонов проходящее через единичную площадь в единицу времени
Интеграл по площади
Целое число фотонов приводит к дискретным значениям энергии
• Статистика фотонов |
Вероятность зафиксировать n |
|
фотонов за период времени Т |
Появление фотонов можно рассматривать как статистически независимые явления
Свойства фотонов
Для плоской волны
• Импульс |
|
E |
|
|
|
|
h |
|
m h |
E mc2 ; |
p mc |
h |
|
|
; |
||||
c |
|
c |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
c2 |
|||
При поглощении или испускании фотона атомом выполняется закон сохранения импульса
• Давление света (Лебедев 1899) |
• Эффект Комптона (1923) |
P Nh 1 T I 1 T |
|
|
cS |
c |
• Эффект Доплера |
Интерференция фотонов
Волна
Непрерывная, нелокальная, делимая
50% reflected
Фотоны
Дискретные локализованные, неделимые
(1)
(2)
50% transmitted
Пластинка не может разделить фотон на два !