- •1.1. Рівняння Шрединґера
- •1.7. Основні постулати квантової механіки.
- •1.8. Принцип невизначеності.
- •Лекція 2 Квантовий гармонічний осцилятор
- •2.1.Гармонічний осцилятор.
- •2.3.Хвильові функції.
- •2.3.Оператори породження і знищення.
- •Лекція 3 Загальна теорія резонаторів
- •Розклад електромагнітного поля по модах резонатора.
- •3.2.Квантування поля.
- •3.3.Квантування плоских хвиль.
- •3.4.Густина станів і випромінювання абсолютно чорного тіла
3.2.Квантування поля.
Покажемо, що
електромагнітне поле всередині резонатора
формально можна розглядати як ансамбль
незалежних гармонічних осциляторів.
Помножимо перше рівняння (3.11)
скалярно на
і проінтегруємо
по всьому об’єму резонатора. З врахуванням
(3.10)
отримаємо :
(3.15)
Аналогічні операції
проробимо з другими рівняннями (3.11),
але помножимо скалярно на
.
Отримаємо:
(3.16)
З цих рівнянь
випливає, що класичне електромагнітне
поле в резонаторі можна описати або
векторними полями
,
або динамічними змінними
.
Повна енергія (гамільтоніаí)
поля виражається формулою:
(3.17)
Підставляючи сюди
замість
і
їх розклади ( 3.11) отримаємо:
(3.18)
тобто суму
гамільтоніанів гармонічних осциляторів
(3.1). Динамічні змінні
є канонічно-спряженими. В цьому можна
переконатися, розглянувши рівняння
Гамільтона:
![]()
(3.19)
Вони еквівалентні
рівнянням (3.12), (3.13) отриманих безпосередньо
з рівнянь Максвела. При квантуванні
електромагнітного поля припускається,
що
формально еквівалентні імпульсу і
координаті квантового гармонічного
осцилятора. Оператори цих динамічних
змінних задовольняють комутаційним
співвідношенням:
.
(3.20)
Подібно до того,
як було зроблено у лекції 2 введемо
оператори народження
і знищення
![]()
![]()
(3.21)
Комутаційні співвідношення для них безпосередньо випливають з (3.20)
(3.22)
Розв’язуючи (3.21)
відносно
і
,
знаходимо:
(3.23)
Гамільтоніан
можна виразити через оператори народження
і знищення, підставивши (3.23) в (3.18) і
замінивши
на
у відповідності з (3.20) . Це приведе до
виразу:
(3.24)
який показує, що електромагнітне поле в резонаторі можна зобразити у вигляді суми квантових гармонічних осциляторів.
3.3.Квантування плоских хвиль.
Вище йшла мова про резонатори довільної форми. Для наступних викладів корисно знати вид операторів поля у частковому випадку одномірного резонатора, що використовується практично в лазерній техніці. Очевидно, що пристрої з нескінченними поперечними січеннями практично не реалізуються, але хвилі, дуже близькі до плоских, можуть поширюватися в оптичних резонаторах з вгнутими дзеркалами.
Для визначеності
розглянемо
–ту
моду резонатора, об’єм якого рівний
,
а довжина напрямку осі
рівна
.
Нехай вектори електричного і магнітного
полів направлені вздовж осей
та
відповідно.
Рівнянням (3.3), (3.4) і (3.7) задовольняють
власні функції:
(3.25)
де
ціле
число,
Поля відповідних мод визначаються
виразами:
(3.26)
або, якщо скористатися (3.23), отримаємо:
(4.27)
Ці вирази знаходять застосування при розгляді спонтанних та індукованих переходів.
