第二十一章 量子光学基础
一、选择题
1、用频率为ν1的单色光照射某一种金属时，测得光电子的最大动能为E K 1；用频率为ν2的单
色光照射另一种金属时，测得光电子的最大动能为E K 2．如果E K 1 >E K 2，那么
(A) ν1一定大于ν2． (B) ν1一定小于ν2．
(C) ν1一定等于ν2． (D) ν1可能大于也可能小于ν2． ［ D ］
2、用频率为ν1的单色光照射某种金属时，测得饱和电流为I 1，以频率为ν2的单色光照射该
金属时，测得饱和电流为I 2，若I 1> I 2，则
(A) ν1 >ν2． (B) ν1 <ν2．
(C) ν1 =ν2． (D) ν1与ν2的关系还不能确定． ［ D ］
3、已知某单色光照射到一金属表面产生了光电效应，若此金属的逸出电势是U 0 (使电子从
金属逸出需作功eU 0)，则此单色光的波长λ 必须满足：
(A) λ ≤)/(0eU hc ． (B) λ ≥)/(0eU hc ．
(C) λ ≤)/(0hc eU ． (D) λ ≥)/(0hc eU ． ［ A ］
4、已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是 1.2 eV ，而钠的红限波长是5400 ?，那么入射光的波长是
(A) 5350 ?． (B) 5000 ?．
(C) 4350 ?． (D) 3550 ?． ［ D ］
5、在均匀磁场B 内放置一极薄的金属片，其红限波长为λ0．今用单色光照射，发现有电子
放出，有些放出的电子(质量为m ，电荷的绝对值为e )在垂直于磁场的平面内作半径为R 的
圆周运动，那末此照射光光子的能量是：
(A) 0λhc ． (B) 0λhc
m
eRB 2)(2
+ ． (C) 0λhc m eRB +． (D) 0λhc eRB 2+． ［ B ］
6、一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电
流的曲线如图中实线所示．然后在光强度不变的条件
下增大照射光的频率，测出其光电流的曲线如图中虚
线所示．满足题意的图是：
［ D ］
7、用频率为ν 的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为E K ；若改用频率为2ν
的单色光照射此种金属时，则逸出光电子的最大动能为：
(A) 2 E K ． . （B ） 2h ν - E K ．
(C) h ν - E K ． (D) h ν + E K ． ［ D ］
O I U O I U O I U O I U
8、关于光电效应有下列说法：
(1) 任何波长的可见光照射到任何金属表面都能产生光电效应；
(2) 若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别受到不同频率的光照射时，释出的光电子的最大初动能也不同；
(3) 若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别受到不同频率、强度相等的光照射时，单位时间释出的光电子数一定相等；
(4) 若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则当入射光频率不变而强度增大一倍时，该金属的饱和光电流也增大一倍．
其中正确的是
(A) (1)，(2)，(3)．
(B) (2)，(3)，(4)．
(C) (2)，(3)．
(D) (2)，(4)．［ D ］
9、设用频率为ν1和ν2的两种单色光，先后照射同一种金属均能产生光电效应．已知金属的红限频率为ν0，测得两次照射时的遏止电压|U a2| = 2|U a1|，则这两种单色光的频率有如下关系：
(A) ν2 = ν1 -ν0．(B) ν2 = ν1 +ν0．
(C) ν2 = 2ν1 -ν0．(D) ν2 = ν1 -2ν0．［ C ］
10、在康普顿散射中，如果设反冲电子的速度为光速的60％，则因散射使电子获得的能量是其静止能量的
(A) 2倍．(B) 1.5倍．
(C) 0.5倍．(D) 0.25倍．［D ］
11、当照射光的波长从4000 ?变到3000 ?时，对同一金属，在光电效应实验中测得的遏止电压将：
(A) 减小0.56 V．(B) 减小0.34 V．
(C) 增大0.165 V．(D) 增大1.035 V．［ D ］
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，基本电荷e =1.60×10-19 C)
12、保持光电管上电势差不变，若入射的单色光光强增大，则从阴极逸出的光电子的最大初动能E0和飞到阳极的电子的最大动能E K的变化分别是
(A) E0增大，E K增大．(B) E0不变，E K变小．
(C) E0增大，E K不变．(D) E0不变，E K不变．［ D ］
13、光子能量为0.5 MeV的X射线，入射到某种物质上而发生康普顿散射．若反冲电子的能量为0.1 MeV，则散射光波长的改变量?λ与入射光波长λ0之比值为
(A) 0.20．(B) 0.25．(C) 0.30．(D) 0.35．［ B ］
14、用强度为I，波长为λ 的X射线(伦琴射线)分别照射锂(Z = 3)和铁(Z = 26)．若在同一散射角下测得康普顿散射的X射线波长分别为λLi和λFe (λLi，λFe >λ)，它们对应的强度分别为I Li和I Fe，则
(A) λLi>λFe，I Li< I Fe(B) λLi=λFe，I Li = I Fe
(C) λLi=λFe，I Li.>I Fe(D) λLi<λFe，I Li.>I Fe［ C ］
15、以下一些材料的逸出功为
铍3.9 eV 钯5.0eV
铯1.9 eV 钨4.5 eV
今要制造能在可见光(频率范围为3.9×1014 Hz—7.5×1014 Hz)下工作的光电管，在这些材料中应选
(A) 钨．(B) 钯．(C) 铯．(D) 铍．［ C ］
16、某金属产生光电效应的红限波长为λ0，今以波长为λ (λ <λ0)的单色光照射该金属，金属
释放出的电子(质量为m e )的动量大小为
(A) λ/h ． (B) 0
/λh ． (C) λ
λλλ00)
(2+hc m e (D) 02λhc m e (E) λλλλ00)(2-hc m e ［ E ］
17、光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程．对此，在以下几种理解中，
正确的是
(A) 两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律．
(B) 两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程．
(C) 两种效应都属于电子吸收光子的过程．
(D) 光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相当于光子和电子的弹性碰撞过程．
(E) 康普顿效应是吸收光子的过程，而光电效应则相当于光子和电子的弹性碰撞过
程． ［ D ］
18、用X 射线照射物质时，可以观察到康普顿效应，即在偏离入射光的各个方向上观察到
散射光，这种散射光中
(A) 只包含有与入射光波长相同的成分．
(B) 既有与入射光波长相同的成分，也有波长变长的成分，波长的变化只与散射方向有
关，与散射物质无关．
(C) 既有与入射光相同的成分，也有波长变长的成分和波长变短的成分，波长的变化既
与散射方向有关，也与散射物质有关．
(D) 只包含着波长变长的成分，其波长的变化只与散射物质有关与散射方向无
关． ［ B ］
19、已知用光照的办法将氢原子基态的电子电离，可用的最长波长的光是 913 ?的紫外光，
那么氢原子从各受激态跃迁至基态的赖曼系光谱的波长可表示为：
(A) 11913
+-=n n λ ?． (B) 1
1913-+=n n λ ?． (C) 1191322-+=n n λ ?． (D) 191322
-=n n λ ?． ［ D ］ 20、要使处于基态的氢原子受激发后能发射赖曼系(由激发态跃迁到基态发射的各谱线组成
的谱线系)的最长波长的谱线，至少应向基态氢原子提供的能量是
(A) 1.5 eV ． (B) 3.4 eV ．
(C) 10.2 eV ． (D) 13.6 eV ． ［ C ］
21、根据玻尔的理论，氢原子在n =5轨道上的动量矩与在第一激发态的轨道动量矩之比为
(A) 5/4． (B) 5/3．
(C) 5/2． (D) 5． ［ C ］
22、氢原子光谱的巴耳末线系中谱线最小波长与最大波长之比为
(A) 7/9． (B) 5/9．
(C) 4/9． (D) 2/9． ［ B ］
23、由氢原子理论知，当大量氢原子处于n =3的激发态时，原子跃迁将发出：
(A) 一种波长的光． (B) 两种波长的光．
(C) 三种波长的光． (D) 连续光谱． ［ C ］
24、根据玻尔理论，氢原子中的电子在n =4的轨道上运动的动能与在基态的轨道上运动的
动能之比为
(A) 1/4．(B) 1/8．
(C) 1/16．(D) 1/32．［ C ］
25、根据玻尔氢原子理论，氢原子中的电子在第一和第三轨道上运动时速度大小之比v1/ v 3是
(A) 1/9．(B) 1/3．
(C) 3．(D) 9．［ C ］
26、假定氢原子原是静止的，则氢原子从n = 3 的激发状态直接通过辐射跃迁到基态时的反冲速度大约是
(A) 4 m/s．(B) 10 m/s ．
(C) 100 m/s ．(D) 400 m/s ．［ A ］
(氢原子的质量m =1.67×10-27 kg)
27、氢原子光谱的巴耳末系中波长最大的谱线用λ1表示，其次波长用λ2表示，则它们的比值λ1/λ2为：
(A) 20/27．(B) 9/8．
(C) 27/20．(D) 16/9．［ C ］
28、按照玻尔理论，电子绕核作圆周运动时，电子的动量矩L的可能值为
(A) 任意值．(B) nh，n = 1，2，3，…
(C) 2π nh，n = 1，2，3，…(D) nh/(2π)，n = 1，2，3，…
［ D ］
29、具有下列哪一能量的光子，能被处在n = 2的能级的氢原子吸收？
(A) 1.51 eV．(B) 1.89 eV．
(C) 2.16 eV．(D) 2.40 eV．［ B ］
30、若用里德伯常量R表示氢原子光谱的最短波长，则可写成
(A) λmin =1 / R．(B) λmin =2 / R．
(C) λmin =3 / R．(D) λmin =4 / R．［ A ］
31、已知氢原子从基态激发到某一定态所需能量为10.19 eV，当氢原子从能量为－0.85 eV 的状态跃迁到上述定态时，所发射的光子的能量为
(A) 2.56 eV．(B) 3.41 eV．
(C) 4.25 eV．(D) 9.95 eV．［ A ］
32、要使处于基态的氢原子受激后可辐射出可见光谱线，最少应供给氢原子的能量为
(A) 12.09 eV．(B) 10.20 eV．
(C) 1.89 eV．(D) 1.51 eV．［ A ］
33、在气体放电管中，用能量为12.1 eV的电子去轰击处于基态的氢原子，此时氢原子所能发射的光子的能量只能是
(A) 12.1 eV．(B) 10.2 eV．
(C) 12.1 eV，10.2 eV和1.9 eV．(D) 12.1 eV，10.2 eV和3.4 eV．
[ C ]
34、在激光器中利用光学谐振腔
(A) 可提高激光束的方向性，而不能提高激光束的单色性．
(B) 可提高激光束的单色性，而不能提高激光束的方向性．
(C) 可同时提高激光束的方向性和单色性.
(D) 既不能提高激光束的方向性也不能提高其单色性．［ C ］
35、按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所产生的光的特点是：
(A) 两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的．
(B) 两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的．
(C) 两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的．
(D) 两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的．［ B ］
36、激光全息照相技术主要是利用激光的哪一种优良特性？
(A) 亮度高．(B) 方向性好．
(C) 相干性好．(D) 抗电磁干扰能力强．［ C ］
二、填空题
1、某光电管阴极, 对于λ = 4910 ?的入射光，其发射光电子的遏止电压为0.71 V．当入射光的波长为__________________×103?时，其遏止电压变为1.43 V．
( e =1.60×10-19 C，h =6.63×10-34 J·s )
答案：3.82
5、当波长为3000 ?的光照射在某金属表面时，光电子的能量范围从0到4.0×10-19 J．在作上述光电效应实验时遏止电压为|U a| =_______V。
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s；基本电荷e =1.60×10-19 C)
答案：2.5
6、当波长为3000 ?的光照射在某金属表面时，光电子的能量范围从0到4.0×10-19 J．在作上述光电效应实验时此金属的红限频率ν0 =_______×1014Hz。
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s；基本电荷e =1.60×10-19 C)
答案：4.0
7、已知钾的逸出功为2.0 eV，如果用波长为3.60×10-7 m的光照射在钾上，则光电效应的遏止电压的绝对值|U a| = V。
(h =6.63×10-34 J·s，1eV =1.60×10-19 J，m e=9.11×10-31 kg)
答案：1.45
8、已知钾的逸出功为2.0 eV，如果用波长为3.60×10-7 m的光照射在钾上，则从钾表面发射出电子的最大速度v max =___________×105 m·s-1．
(h =6.63×10-34 J·s，1eV =1.60×10-19 J，m e=9.11×10-31 kg)
答案：7.14
10、康普顿散射中，当φ =______________ 时，散射光子的频率与入射光子相同。
答案：0
11、波长为λ =1 ?的X光光子的质量为_____________×10-32kg．
(h =6.63×10-34 J·s)
答案：2.21
12、以波长为λ= 0.207 μm的紫外光照射金属钯表面产生光电效应，已知钯的红限频率
ν 0=1.21×1015赫兹，则其遏止电压|U a| =_______________________V．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，基本电荷e =1.60×10-19 C)
答案：0.99
13、在光电效应实验中，测得某金属的遏止电压|U a|与入射光频率ν的关系曲线如图所示，由此可知该金属的红限频率ν0=___________×1014Hz。
|
1014 Hz)
-
答案：5
14、在光电效应实验中，测得某金属的遏止电压|U a|与入射光频率ν的关系曲线如图所示，由此可知该金属的逸出功A =____________eV．
|
1014 Hz)
-
答案：2
18、当波长为300 nm (1 nm = 10-9 m)的光照射在某金属表面时，光电子的动能范围为0～4.0×10-19 J．此时红限频率ν0=_______________×1014Hz．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，基本电荷e =1.60×10-19 C)
答案：4.0
19、若一无线电接收机接收到频率为108Hz的电磁波的功率为1微瓦，则每秒接收到的光子数为_______________×1019．(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s)
答案：1.5
20、钨的红限波长是230 nm (1 nm = 10-9 m)，用波长为180 nm的紫外光照射时，从表面逸出的电子的最大动能为________________eV．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，基本电荷e =1.60×10-19 C)
答案：1.5
21、频率为100 MHz的一个光子的能量是_____________×10-26 J．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s)
答案：6.63
22、频率为100 MHz的一个光子动量的大小是_________×10-34 kg·m/s．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s)
答案：2.21
23、某一波长的X光经物质散射后，其散射光中包含波长不变和波长_________的两种成分。答案：变长
24、某一波长的X光经物质散射后，其散射光中___________的散射成分称为康普顿散射．
答案：波长变长
26、在X射线散射实验中，散射角为φ 1= 45°和φ 2=60°的散射光波长改变量之比
?λ1：?λ2 =_________________．
答案：0.586
27、分别以频率为ν1和ν2的单色光照射某一光电管．若ν1 >ν2 (均大于红限频率ν0)，则当两种频率的入射光的光强相同时，所产生的光电子的最大初动能E1____ E2。(用＞或=或＜填入) 答案：＞
28、分别以频率为ν1和ν2的单色光照射某一光电管．若ν1 >ν2 (均大于红限频率ν0)，则当两种频率的入射光的光强相同时，所产生的饱和光电流I s1____ I s2．(用＞或=或＜填入)
答案：＜
31、在玻尔氢原子理论中势能为负值，而且数值比动能大，所以总能量为________值。
答案：负
32、在玻尔氢原子理论中势能为负值，而且数值比动能大，所以总能量为只能取_______值．答案：不连续
33、在氢原子发射光谱的巴耳末线系中有一频率为6.15×1014Hz的谱线，它是氢原子从能级E n =－0.85eV跃迁到能级E k =__________eV而发出的．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，基本电荷e =1.60×10-19 C)
答案：－3.4
34、在氢原子发射光谱的巴耳末线系中有一频率为6.15×1014Hz的谱线，它是氢原子从能级E n =__________eV跃迁到能级E k =－3.4eV而发出的．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，基本电荷e =1.60×10-19 C)
答案：－0.85
35、在氢原子光谱中，赖曼系(由各激发态跃迁到基态所发射的各谱线组成的谱线系)的最短波长的谱线所对应的光子能量为_______________eV．
(里德伯常量R =1.097×107 m-1 ，
普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，1 eV =1.60×10-19 J ，
真空中光速c =3×108 m·s-1 )
答案：13.6
36、在氢原子光谱中，巴耳末系的最短波长的谱线所对应的光子的能量为___________________eV．
(里德伯常量R =1.097×107 m-1 ，
普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，1 eV =1.60×10-19 J ，
真空中光速c =3×108 m·s-1 )
答案：3.4
37、氢原子基态的电离能是_______________eV．
答案：13.6
38、氢原子基态的电离能为+0.544 eV 的激发态氢原子，其电子处在n =_________________
的轨道上运动．
答案：5
39、设大量氢原子处于n =4的激发态，它们跃迁时发射出一簇光谱线．这簇光谱线最多可
能有 ________________ 条。
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s)
答案：6
40、设大量氢原子处于n =4的激发态，它们跃迁时发射出一簇光谱线．这簇光谱线中最短
的波长是_______ ?
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s)
答案：973
43、玻尔的氢原子理论中提出的关于定态能级和________________的假设在现代的量子力学
理论中仍然是两个重要的基本概念．
答案：能级跃迁决定谱线频率．
44、玻尔的氢原子理论中提出的关于____________________和能级跃迁决定谱线频率的假设
在现代的量子力学理论中仍然是两个重要的基本概念．
答案：定态能级
45、欲使氢原子发射赖曼系(由各激发态跃迁到基态所发射的谱线构成）中波长为1216 ?的
谱线，应传给基态氢原子的最小能量是_____________________eV ．
(普朗克常量h = 6.63×10-34 J ·s ，基本电荷e =1.60×10-19 C)
答案：10.2
46、玻尔的氢原子理论的三个基本假设是：
(1)____________________________________；
(2) 量子化跃迁的频率法则 h E E k n kn /-=ν；
(3) 角动量量子化假设 π=2/nh L n =1，2，3，……．
答案：量子化定态假设
47、欲使氢原子能发射巴耳末系中波长为4861.3 ?的谱线，最少要给基态氢原子提供
_______eV 的能量．
(里德伯常量R =1.097×107 m -1 )
答案：12.75
48、欲使氢原子能发射巴耳末系中波长为6562.8 ?的谱线，最少要给基态氢原子提供
__________eV 的能量．
(里德伯常量R =1.097×107 m -1 )
答案：12.09
49、按照玻尔理论，移去处于基态的He+中的电子所需能量为_____________eV.
答案：54.4
50、氢原子中电子从n = 3的激发态被电离出去，需要的能量为_________eV．
答案：1.51
51、氢原子由定态l跃迁到定态k可发射一个光子．已知定态l的电离能为0.85 eV，又知从基态使氢原子激发到定态k所需能量为10.2 eV，则在上述跃迁中氢原子所发射的光子的能量为__________eV．
答案：2.55
52、氢原子的部分能级跃迁示意如图．在这些能级跃迁中，从n =4的能级跃迁到n =_____的能级时所发射的光子的波长最短。
n = 4
n = 3
n = 2
n = 1
答案：1
53、氢原子的部分能级跃迁示意如图．在这些能级跃迁中，从n =____的能级跃迁到n =1的能级时所发射的光子的波长最短。
n = 4
n = 3
n = 2
n = 1
答案：4
54、氢原子的部分能级跃迁示意如图．在这些能级跃迁中，从n =4的能级跃迁到n =______的能级时所发射的光子的频率最小．
n = 4
n = 3
n = 2
n = 1
答案：3
55、氢原子的部分能级跃迁示意如图．在这些能级跃迁中，从n =______的能级跃迁到n = 3的能级时所发射的光子的频率最小．
n = 4
n = 3
n = 2
n = 1
答案：4
56、被激发到n =3的状态的氢原子气体发出的辐射中，有______条可见光谱线．
答案：1
57、被激发到n =3的状态的氢原子气体发出的辐射中，有_ _________条非可见光谱线．
答案：2
58、氢原子从能量为－0.85 eV的状态跃迁到能量为－3.4 eV的状态时，所发射的光子能量是_________eV．
答案：2.55
59、氢原子从能量为－0.85 eV的状态跃迁到能量为－3.4 eV的状态时，是电子从n =_______的能级到n = 2的能级的跃迁．
答案：4
60、当氢原子从某初始状态跃迁到激发能(从基态到激发态所需的能量)为10.19 eV的激发态上时，发出一个波长为4860 ?的光子，则初始状态氢原子的能量是________eV．
答案：-0.85
61、要使处于基态的氢原子受激发后能辐射氢原子光谱中波长最短的光谱线，最少需向氢原子提供______________eV的能量．
答案：13.6
62、已知基态氢原子的能量为－13.6 eV，当基态氢原子被12.09 eV的光子激发后，其电子的轨道半径将增加到玻尔半径的______倍．
答案：9
63、当一个质子俘获一个动能E K =13.6 eV的自由电子组成一个基态氢原子时，所发出的单色光频率是____________×1015Hz．(基态氢原子的能量为－13.6 eV，普朗克常量h =6.63×10-34 J·s)
答案：6.56
64、使氢原子中电子从n=3的状态电离，至少需要供给的能量为_________eV(已知基态氢原子的电离能为13.6 eV)．
答案：1.51
65、在氢原子光谱的巴耳末系中，波长最长的谱线和波长最短的谱线的波长比值是_________ 答案：1.8
66、在氢原子光谱的巴耳末系中，波长最长的谱线Hα和相邻的谱线Hβ的波长比值是_________
答案：1.35
67、处于基态的氢原子吸收了13.06 eV的能量后，可激发到n =________的能级．
答案：5
68、处于基态的氢原子吸收了13.06 eV的能量后，当它跃迁回到基态时，可能辐射的光谱线有________条．
答案：10
69、根据氢原子理论，若大量氢原子处于主量子数n = 5的激发态，则跃迁辐射的谱线可以有________条．
答案：10
70、根据氢原子理论，若大量氢原子处于主量子数n = 5的激发态，则跃迁辐射的谱线中属于巴耳末系的谱线有______条．
答案：3
71、在下列给出的各种条件中，哪些不是产生激光的条件，将其标号列下：
____________________________________________．
(1)自发辐射．(2)受激辐射．(3)粒子数反转．
(4)三能极系统．(5)谐振腔．
答案：(1)
72、产生激光的必要条件是_________。
答案：粒子数反转分布
73、激光的三个主要特性是方向性好、单色性好因而相干性好、_________________。
答案：光强大
75、按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和______________两种辐射方式发光，．答案：受激辐射
76、按照原子的量子理论，激光是由__________________方式产生的．
答案：受激辐射
77、光和物质相互作用产生受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性，这些特性是指_________________、频率、偏振态、传播方向。
答案：相位、
78、激光器的基本结构包括三部分，即工作物质、________和光学谐振腔．
答案：激励能源
79、目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是固体激光器、气体激光器、液体激光器和_______
答案：半导体激光器
三、计算题
1、频率为 的一束光以入射角i照射在平面镜上并完全反射，设光束单位体积中的光子数
为n ，求：
(1) 每一光子的能量、动量和质量．
(2) 光束对平面镜的光压(压强)． 解：(1) νεh =，c h h p //νλ==， 2/c h m ν=． (2) 光对平面镜的光压
如图示，每一个光子入射到平面镜MN 上，并以i 角反射，其动量改变量为：
n i c h n
i mc c m c m
?cos 2/?cos 2?==-'ν??， 平面镜上面积为S 的截面上，在单位时间内受到碰撞
的光子数为
Sn i c N ?=cos (此处n 为光子数密度) 所以光压 S Sn i c i mc S c m c m N P /)cos cos 2(/|)(|??=-'=??
i n mc 22cos 2=i n h 2cos 2ν=
2、图中所示为在一次光电效应实验中得出的曲线
(1) 求证：对不同材料的金属，AB 线的斜率相同． (2) 由图上数据求出普朗克恒量h ． (基本电荷e =1.60×10-19 C) 解：(1) 由 A h U e a -=ν 得 e A e h U a
//-=ν e h U a /d /d =ν (恒量)
由此可知，对不同金属，曲线的斜率相同．
(2) h = e tg θ 1410)0.50.10(00.2?--=e
=6.4×10-34 J ·s
3、波长为λ的单色光照射某金属M 表面发生光电效应，发射
的光电子(电荷绝对值为e ，质量为m )经狭缝S 后垂直进入磁感应强度为B ?的均匀磁场(如图示)，今已测出电子在该磁场中
作圆运动的最大半径为R ．求
(1) 金属材料的逸出功A ；
(2) 遏止电势差U a ．
解：(1) 由 R m eB /2v v = 得 m ReB /)(=v ，
代入 A m h +=22
1v ν 可得 222221m
B e mR hc A ?-=λ m B e R hc 22
22-=λ (2) 22
1v m U e a = ?)(c c m ??-'' |14 Hz)
B ? × × × × ×
m eB R e m U a 222
22==v
4、用单色光照射某一金属产生光电效应，如果入射光的波长从λ1 = 400 nm 减到λ2 = 360 nm
(1 nm = 10-9 m)，遏止电压改变多少？数值加大还是减小？
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，基本电荷e =1.60×10-19 C)
解：由爱因斯坦方程 A m h +=
221v ν 和 a U e mv =22
1 得 A hc U e a -=)/(λ 所以 )11(
)(1212λλ-=-hc U U e a a
遏止电压改变 V 345.0)11
)(/(12=-=λλ?e hc U a
数值加大．
5、以波长λ = 410 nm (1 nm = 10-9 m)的单色光照射某一金属，产生的光电子的最大动能E K =
1.0 eV ，求能使该金属产生光电效应的单色光的最大波长是多少？
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s)
解：设能使该金属产生光电效应的单色光最大波长为λ0．
由 00=-A h ν
可得 0)/(0=-A hc λ
A hc /0=λ
又按题意： K E A hc =-)/(λ
∴ K E hc A -=)/(λ
得 λ
λλλK K E hc hc E hc hc -=-=)/(0= 612 nm
6、功率为P 的点光源，发出波长为λ的单色光，在距光源为d 处，每秒钟落在垂直于光线
的单位面积上的光子数为多少？若λ =6630 ?，则光子的质量为多少？
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s)
解：设光源每秒钟发射的光子数为n ，每个光子的能量为h ν
则由 λν/nhc nh P ==
得： )/(hc P n λ=
令每秒钟落在垂直于光线的单位面积的光子数为n 0，则
)4/()4/(/220hc d P d n S n n π=π==λ
光子的质量 )/()/(/22λλνc h c hc c h m ====3.33×10-
36 kg
7、红限波长为λ0 =0.15 ?的金属箔片置于B =30×10-4 T 的均匀磁场中．今用单色γ 射线照
射而释放出电子，且电子在垂直于磁场的平面内作R = 0.1 m 的圆周运动．求γ 射线的波
长．(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，基本电荷e =1.60×10-19 C,
电子质量m e =9.11×10-31 kg)
解： 221v e m A h +=ν ① =B e v R m e /2v ②
0/λhc A = ③
νλ/c = . ④
①，②，③，④式联立可求得
137.0)2/()(1200
=+=hc m eBR e λλλ ?
8、光电管的阴极用逸出功为A = 2.2 eV 的金属制成，今用一单色光照射此光电管，阴极发
射出光电子，测得遏止电势差为| U a | = 5.0 V ，试求：
(1) 光电管阴极金属的光电效应红限波长；
(2) 入射光波长．
（普朗克常量h = 6.63×10-34 J ·s ， 基本电荷e = 1.6×10-19 C ）
解：(1) 由 00/λνhc h A ==
得 ==
A
hc 0λ 5.65×10-7 m = 565 nm (2) 由 a U e m =221v , A U e hc h a +==λν 得 =+=A
U e hc a λ 1.73×10-7 m = 173 nm
9、以波长为λ = 0.200 μm 的单色光照射一铜球，铜球能放出电子．现将此铜球充电，试求
铜球的电势达到多高时不再放出电子？(铜的逸出功为A = 4.10 eV ，普朗克常量h =6.63×
10-34 J ·s ，1 eV =1.60×10-19 J)
解：当铜球充电达到正电势U 时，有
221v m A eU h +
+=ν 当 νh ≤A eU +时，铜球不再放出电子，
即 eU ≥h ν -A ==-A hc
λ 2.12 eV
故 U ≥2.12 V 时，铜球不再放出电子．
10、波长为λ0 = 0.500 ?的X 射线被静止的自由电子所散射，若散射线的波长变为λ = 0.522
?，试求反冲电子的动能E K ．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s)
解：入射光子的能量为 0
0λεhc = 散射光子的能量为 λ
εhc = 反冲电子的动能为 εε-=0K E =-=)11(0λ
λhc 1.68×10-16
11、设康普顿效应中入射X 射线(伦琴射线)的波长λ =0.700 ?，散射的X 射线与入射的X 射
线垂直，求：
(1) 反冲电子的动能E K ．
(2) 反冲电子运动的方向与入射的X 射线之间的夹角θ．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，电子静止质量m e =9.11×10-31 kg) 解：令p ?、ν和p '?、ν'分别为入射与散射光子的动量和频率，v ?m 为反冲电子的动量(如图)．因散射线与入射线垂直，散射
角φ =π / 2，因此可求得散射X 射线的波长 c m h e +='λλ= 0.724 ? (1) 根据能量守恒定律
22mc h h c m e +'=+νν
且 22c m mc E e K -= 得 )/()(λλλλνν'-'='-=hc h h E K = 9.42×10-
17 J (2) 根据动量守恒定律
v ???m p p +'= 则 2222)/()/(λλ''+='+=h h p p m v
22)/()/(/cos λλλθ'+==h h h m p v 2)
/(11λλ'+= ='+=-21)/(11
cos λλθ44.0°
12、假定在康普顿散射实验中，入射光的波长λ0 = 0.0030 nm ，反冲电子的速度v = 0.6 c ，
求散射光的波长λ．
(电子的静止质量m e =9.11×10-31 kg ，普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，1 nm = 10-9 m ，c
表示真空中的光速)
解：根据能量守恒,有 220mc h c m h e +=+νν
这里 2)/(11c m m e v -=
∴ 20c m h h e +=νν])/(11
1[2c v --
p '?p
?θv ?m
则 20c m hc hc e +=λλ])/(111[2c v --
解得： ])/(111[1200
c h c m e v --+=λλλ= 0.00434 nm
13、实验发现基态氢原子可吸收能量为 12.75 eV 的光子．
(1) 试问氢原子吸收该光子后将被激发到哪个能级？
(2) 受激发的氢原子向低能级跃迁时，可能发出哪几条谱线？请画出能级图(定性)，并
将这些跃迁画在能级图上．
解：(1) )11(2n Rhc E -=?75.12)11(6.132=-=n
eV n =4
(2) 可以发出λ41、λ31、λ21、λ43、λ42、λ32六条谱线．
能级图如图所示．
14、已知氢光谱的某一线系的极限波长为3647 ?，其中有一谱线波长为6565 ?．试由玻尔
氢原子理论，求与该波长相应的始态与终态能级的能量．
(R =1.097×107 m -1 ) 解：极限波数 2//1~k R ==∞λν 可求出该线系的共同终态.
2==∞λR k
)11(1~2
2n k R -==λν 由λ =6565 ? 可得始态 ∞
∞-=λλλλR n =3 由 2216.13n
n E E n -== eV 可知终态 n =2，E 2 = -3.4 eV
始态 n =3，E 3 = -1.51 eV
15、在氢原子中，电子从某能级跃迁到量子数为n 的能级，这时轨道半径改变q 倍，求发射
的光子的频率．
λ43 λ42 λ41 λ32 λ31 λ21 n =4321
解：设始态能级量子数为 k , 则轨道半径由r k 变为r n , 且r k = qr n .
由 22
02me
h k r k π=ε 可得 22qn k =
光子的频率 )11(22k
n Rc -=ν 即 )11()1(2222q n
Rc k n n Rc -=-=ν
16、氢原子激发态的平均寿命约为10-8 s ，假设氢原子处于激发态时，电子作圆轨道运动，
试求出处于量子数n =5状态的电子在它跃迁到基态之前绕核转了多少圈．( m e = 9.11×10-31
kg ，e =1.60×10-19 C ，h =6.63×10-34 J ·s ，
ε 0=8.85×10-12 C 2·N -1·m -2 )
解：电子作一次圆周运动所需时间(即周期T )为
ω
π
=2T ① 令激发态的平均寿命为 τ = 10-8 s ，故电子在τ内从激发态跃迁到基态前绕核的圈
数为 T N τ
= ②
电子作圆周运动的周期Ｔ可由下面二式求出
r m r e 2
2
024v =πε ③ π
=22h r m ωn ④ 可求出 3
3320412n h n me ?π=εω ⑤ 由①、②、⑤可得 T N τ=373332041054.614n n h n me ?=?=ετ 当 n = 5 N = 5.23×105
17、氢原子光谱的巴耳末线系中，有一光谱线的波长为4340 ?，试求：
(1) 与这一谱线相应的光子能量为多少电子伏特？
(2) 该谱线是氢原子由能级E n 跃迁到能级E k 产生的，n 和k 各为多少？
(3) 最高能级为E 5的大量氢原子，最多可以发射几个线系，共几条谱线？
请在氢原子能级图中表示出来，并说明波长最短的是哪一条谱线．
解：(1) ==λν/hc h 2.86 eV ．
(2) 由于此谱线是巴耳末线系，其 k =2
4.32/21-==E E K eV (E 1 =－13.6 eV)
νh E n E E K n +==21/ 51=+=νh E E n K ． =5 =4 =3 =2
=1
(3) 可发射四个线系，共有10条谱线．见图 波长最短的是由n =5跃迁到n =1的谱线．
18、处于基态的氢原子被外来单色光激发后发出的光仅有三条谱线，问此外来光的频率为多
少？ (里德伯常量R =1.097×107 m -1)
解：由于发出的光线仅有三条谱线，按：
)11(~22n
k cR c -=?=νν n =3，k =2 得一条谱线．
n =3，k =1 得一条谱线．
n =2，k =1 得一条谱线．
可见氢原子吸收外来光子后，处于n =3的激发态．以上三条光谱线中，频率最大的一
条是： )3
111(22-=cR ν=2.92×1015 Hz 这也就是外来光的频率．
19、试求氢原子线系极限的波数表达式及赖曼系(由各激发态跃迁到基态所发射的谱线构
成)、巴耳末系、帕邢系(由各高能激发态跃迁到n =3的定态所发射的谱线构成)的线系极限
的波数．(里德伯常量R =1.097×107 m -1 )
解： )11(~2
2n k R -=ν 令线系极限： n →∞ 可得 2/~k R =ν
赖曼系： k =1 =ν
~ 1.097×107/12 =1.097×107 m -1 巴耳末系： k =2 =ν
~ 1.097×107/22 =0.274×107 m -1 帕邢系： k =3 =ν
~ 1.097×107/32 =0.122×107 m -1
20、处于第一激发态的氢原子被外来单色光激发后，发射的光谱中，仅观察到三条巴耳末系
光谱线．试求这三条光谱线中波长最长的那条谱线的波长以及外来光的频率． (里德
伯常量R =1.097×107 m -1)
解：因为观察到巴耳末系中的三条光谱线，所以只可能是从n = 5、4、3的状态，分别跃迁
到n =2的状态而发出的．
由 )121(1~2222n R n n
-==λν 得 222222
21-?=n n R n λ 所求的波长为氢原子从由n = 3的状态跃迁到n = 2的状态发出的谱线的波长，上式代
入n = 3得
λ23 = 6.56×10-7 m = 656 nm
外来光应使氢原子从n = 2的状态跃迁到n = 5的状态，其频率为：
ν25 = c /λ25
而： λ25 = 4.34×10-7 m = 434 nm
ν25 = c /λ25 = 6.91×1014 Hz
21、已知氢原子中电子的最小轨道半径为 5.3×10-11 m ，求它绕核运动的速度是多少？
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，电子静止质量m e =9.11×10-31 kg)
解：根据玻尔氢原子理论的角动量量子化条件
π=2/nh r m e v (n =1，2，3，……)
则 )2/(r m nh e π=v
n =1时对应最小轨道半径 r 1 =5.3×10-11 m
∴ )2/(1r m nh e π=v =2.18×106 m/s
22、试估计处于基态的氢原子被能量为 12.09 eV 的光子激发时，其电子的轨道半径增加多
少倍？
解：设激发态量子数为n , 根据玻尔理论：νh E E n +=1
对氢原子 E 1 =－13.6 eV (基态)，
h ν =12.09 eV
∴ E n =－1.51 eV
另外，对氢原子有 E n =－13.6/n 2eV
由此有 －1.51＝－13.6/n 2
故 n 2≈9，n =3
氢原子的半径公式为 r n = n 2a 1 = 9 a 1
即氢原子的半径增加到基态时的9倍．
23、当氢原子从某初始状态跃迁到激发能(从基态到激发态所需的能量)为?E = 10.19 eV 的状
态时，发射出光子的波长是λ=4860 ?，试求该初始状态的能量和主量子数．(普朗克常量h
=6.63×10-34 J ·s ，1 eV =1.60×10-19 J)
解：所发射的光子能量为 ==λε/hc 2.56 eV
氢原子在激发能为10.19 eV 的能级时，其能量为
=+=?E E E K 1-3.41 eV
氢原子在初始状态的能量为 =+=K n E E ε-0.85 eV
该初始状态的主量子数为 41==n
E E n
24、用某频率的单色光照射基态氢原子气体，使气体发射出三种频率的谱线，试求原照射单
色光的频率．
(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，1 eV =1.60×10-19 J)
解：按题意可知单色光照射的结果，氢原子被激发至n = 3的状态(因为它发射三种频率的谱
线)，故知原照射光子的能量为
)6.13(3
6.13213---=-=E E ε = 12.09 eV=1.93×10-18 J
该单色光的频率为 ==h ε
ν 2.92×1015 Hz
25、已知氢原子光谱中有一条谱线的波长是λ=1025.7 ?，氢原子的里德伯常量R =109677 cm -1．问：跃迁发生在哪两个能级之间？
解：因为 1025.7 ?是紫外线，是属于赖曼系的一条谱线，故知它是在n = n 1→ n =1这两个能级间的跃迁中发射出来的．根据
)/11/1(~2
12n R -=ν 并代入λν/1~= 可解得 )1(1-=R R n λλ=3.00 所以1025.7 ?谱线是在n =3─→n =1的能级间的跃迁中辐射的．
26、若处于基态的氢原子吸收了一个能量为h ν =15 eV 的光子后其电子成为自由电子(电子
的质量m e =9.11×10-31 kg)，求该自由电子的速度v ．
解：把一个基态氢原子电离所需最小能量
E i = 13.6 eV 则有 22
1v e i m E h +=ν =-=
e i m E h /)(2νv 7.0×105 m/s
量子与光学 ——量子光学领域的历程、进展以及量子点 徐慧远 111086
一、量子光学 在经典力学中，生活的简单的。颗粒就是颗粒，波就是波，并且我们确切地知道事物存在的位置和状态。然而，任何一个学过物理的人都会告诉你，在量子领域，问题就变得复杂多了。下面我将从一个特别的视角来描述量子——量子光学，把量子理论和光学结合在一起构成了一个奇特，精彩的世界。 根据澳大利亚昆士兰大学的量子光学领域的专家Gerard Milburn的说法，这一领域的研究要追溯到上世纪60年代。值得一提的是，哈佛大学的Roy Glauber教授最先开始量子电磁场的相干光研究，并以此获得了诺贝尔奖。 Milburn解释道，“Roy在光学干涉实验中展示了已经广为人知的相干性质领域的量子状态。尽管这证实了特定的场态会从经典光学中重新得到已知的结果，但是这一新的量子光学领域表明了独特的量子表现将会变成某些类型情境的证据”。“通过理论科学家和实验科学家之间的紧密的交流，这一学科在上世界60至90年代之间的历史可以看成是一种这一前景的稳固的实现。” 根据Milburn的说法，上世界70年代是研究光子计数统计的量子特性的最重要的10年，并且在预言和观测光子的反聚束方面达到了顶峰。在随后的80年代科学家们又反过头来补充研究光的波动性，重点关注于相位依赖特性。在90年代，纠缠态的非经典方面又成为了研究的主要领域，随后出现了贝尔不等式这些具有先驱性的成果。 90年代还见证了在原子凝聚物和量子信息这些新领域的分歧，并且取得了重大的进步。量子光学早90年代早期就已成为量子信息理论领域的一些新思想的理想的实验土壤，并且之后取得了巨大的成功。许多更加令人称奇的关于量子理论的预言（包括电子传输和反贝尔不等式）都已经被证实在量子光学领域具有惊人的可靠性。Milburn还解释了这些巨大成功的原因： “实验室要想达到光频段，温度就必须极其低。因而光频段的热激发通常可以忽略的，因此可以直接研究量子相干性而不用去考虑热噪声产生的隐藏的影响。当然，必须得考虑自发辐射和光子吸收，”Milburn还提到“这一领域的大部分的进展都是来自于减轻这些热噪声影响从而得到相干量子控制的一个非凡的水平，尤其是在量子通信协议方面，比如说量子密匙分配。” 那么将来这一领域将会怎样呢？下一个十年，量子光通信和计算无疑将会继续取得重大的成果。Nature的一篇社论中高度评价了量子信息协议的实现在近些年取得的进展。目前应用方面主要受到硬件方面的限制，尤其是光子探测器和可靠的单光子源的需求。好消息是有文章表明在这方面已经有了稳步的进展。 近来在处理要求更高的任务时所涉及到的量子光学系统定标方面的一项非常重要的发展就是集成光学电路的应用，这打开了片上量子光学实验的这一具有有人前景的大门。已有文章报道了实现了具有很高集成度的器件，从而避免了繁
第一章几何光学基本原理 光和人类的生产活动和生活有着十分密切的关系，光学是人类最古老的科学之一。 对光的每一种描述都只是光的真实情况的一种近似。 研究光的科学被称为“光学”（optics），可以分为三个分支： 几何光学物理光学量子光学 第一节光学发展历史 1，公元前300年，欧几里得论述了光的直线传播和反射定律。 2，公元前130年，托勒密列出了几种介质的入射角和反射角。 3，1100年，阿拉伯人发明了玻璃透镜。 4，13世纪，眼镜开始流行。 5，1595年，荷兰著名磨镜师姜森发明了第一个简陋的显微镜。 6，1608年，荷兰人李普赛发明了望远镜；第2年意大利天文学家伽利略做了放大倍数为30×的望远镜。7，1621年，荷兰科学家斯涅耳发现了折射定律；1637年法国科学家笛卡尔给出了折射定律的现代的表述。8，17世纪下半叶开始，英国物理学家牛顿和荷兰物理学家惠更斯等人开始研究光的本质。 9，19世纪初，由英国医生兼物理学家杨氏和法国土木工程师兼物理学家菲涅耳所发展的波动光学体系逐 渐被普遍接受。 10，1865年，英国物理学家麦克斯韦建立了光的电磁理论。 11，1900年，德国柏林大学教授普朗克建立了量子光学。 12， 1905年，德国物理学家爱因斯坦提出光量子（光子）理论。 13，1925年，德国理论物理学家玻恩提出了波粒二象性的几率解释，建立了波动性与微粒性之间的联系。14，1960年，美国物理学家梅曼研制成第一台红宝石激光器，给光学带来了一次革命，大大推动了光学以 及其他科学的发展。 15，激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。激光一问世，就获得了 异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴 产业的出现。 ●光学作为一门学科包含的内容非常多，作为在工程上应用的一个分支——工程光学， 内容主要包括几何光学、典型光学系统、光度学等等。 ●随着机械产品的发展，出现越来越多的机、电、光结合的产品。 ●光学手段越来越多用于机电装备的检测、传感、测量。 ●掌握好光学知识，为今后进一步学习机电光结合技术打好基础，也将会有更广阔的 适应面。 第二节光线和光波 1，光的本质 ●光和人类的生产、生活密不可分； ●人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来研究各种光学现象，称为物理光学；光的传播规律 和传播现象称为几何光学。 ●1666年牛顿提出的“微粒说” ●1678年惠更斯的“波动说” ●1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波 ●1905年爱因斯坦提出了“光子”说 ●现代物理学认为光具有波、粒二象性：既有波动性，又有粒子性。 ●一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波。 ●可见光的波长范围：380-760nm
第21章--量子光学基础
第二十一章 量子光学 基础 一、选择题 1、用频率为ν1的单色光照射某一种金属时，测 得光电子的最大动能为E K 1；用频率为ν2的单色 光照射另一种金属时，测得光电子的最大动能为 E K 2．如果E K 1 >E K 2，那么 (A) ν1一定大于ν2． (B) ν1一定小于ν2． (C) ν1一定等于ν2． (D) ν1可能大于也可 能小于ν2． ［ D ］ 2、用频率为ν1的单色光照射某种金属时，测得 饱和电流为I 1，以频率为ν2的单色光照射该金属 时，测得饱和电流为I 2，若I 1> I 2，则 (A) ν1 >ν2． (B) ν1 <ν2． (C) ν1 =ν2． (D) ν1与ν2的关 系还不能确定． ［ D ］ 3、已知某单色光照射到一金属表面产生了光电 效应，若此金属的逸出电势是U 0 (使电子从金属 逸出需作功eU 0)，则此单色光的波长λ 必须满 足： (A) λ ≤)/(0eU hc ． (B) λ ≥)/(0 eU hc ． (C) λ ≤)/(0 hc eU ． (D) λ ≥) /(0hc eU ． ［ A ］ 4、已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子 的最大动能是 1.2 eV ，而钠的红限波长是5400
?，那么入射光的波长是 (A) 5350 ?． (B) 5000 ?． (C) 4350 ?． (D) 3550 ?． ［ D ］ 5、在均匀磁场B 内放置一极薄的金属片，其红 限波长为λ0．今用单色光照射，发现有电子放出， 有些放出的电子(质量为m ，电荷的绝对值为e ) 在垂直于磁场的平面内作半径为R 的圆周运动， 那末此照射光光子的能量是： (A) 0λhc ． (B) 0 λhc m eRB 2)(2+ ． (C) 0λhc m eRB +． (D) 0λhc eRB 2+． ［ B ］ 6、一定频率的单色光照射在 某种金属上，测出其光电流 的曲线如图中实线所示．然 后在光强度不变的条件下增 大照射光的频率，测出其光电流的曲线如图中虚线所示．满足题意的图是： ［ D ］ O I U O I U O I U O I U
量子光学与量子信息
量子光学与量子信息 摘要：量子光学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物理问题的一门学科。 关键字：量子光学量子信息 JC模型 TC模型 早在1900和1905年,普朗克和爱因斯坦就提出了光量子假说,并成功解释了黑体辐射谱分布与光电效应,确定了光具有波粒二象性的基本物理思想。然而,长期以来由于经典电磁辐射理论能完满地解释绝大多数物理光学实验现象,光的量子理论并未得到系统发展。直到2O世纪7O年代以后,随着激光与光电子技术的进步,一系列用经典理论无法解释的非经典光学效应逐步被实验观测,才形成了以量子化光场为基础的量子光学学科领域。 光量子或称光子为基本能量单元的量子化光场遵循量子电动力学基本规律,严格地说只有用QED理论,才能解释迄今为止所观察到的所有光学现象。量子光学用量子电动力学理论研究光场的量子性和相干性,以及光与原子相互作用的量子力学效应。当前,量子光学中应用性较强的重要研究领域有:光场的量子噪声,光场与物质相互作用中的动量传递、腔量子电动力学等。 在光学与原子物理这门课程的学习中，我们了解到了量子化这个概念。那么，量子光学在科技实验研究中有哪些应用呢？ 首先，量子光学的原理和理论基础为： 热辐射基尔霍夫定律 一．热辐射
1．热辐射：在一定时间内辐射能量的多少及能量按波长的分布都与物体的温度有关，故称电磁辐射为热辐射（温度辐射）； 辐射能(λ,T )，如炉子,酒精灯… 2．平衡热辐射：相同时间内辐射与吸收的能量相等，T 不变 二． 辐出度(辐射出射度,发射本领) 1． 单色辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的波长在λλλd ~+范围内辐射能量)T (dE λ和波长间隔λd 的比值 λ λλd )T (dE )T (e = 2． 辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的各种波长的辐射总能量。 λλd )T ,(e )T (E ?∞ =0 三． 吸收比、反射比 1． 吸收比：J B )T (a = 单色吸收比：) T ,(J )T ,(B )T ,(a λλλ= 2． 反射比：J R )T (=ρ 单色反射比：) T ,(J )T ,(R )T ,(λλλρ= 不透明物体：1=+)T ,()T ,(a λρλ 四． 绝对黑体（黑体） 1． 定义：1=)T ,(a λ的物体
一、量子调控的途径：外场调控（振幅、相位、啁啾及形状等手段调控）和结构调控（利 用材料的结构特征调控，比如原子、分子及半导体微结构等）； 量子干涉与相干现象：激光诱导原子态相干，导致了介质不同激发通道间的量子干涉。从而可操控介质的光学特性。 经典相干导致原子相干 经典干涉导致量子干涉 量子化的基本思想： 找出描述经典场的一组完备的正则“坐标”和“动量”，然后把它们视为相应的算符，满足正则坐标和正则动量的对易式，从而使其量子化。 粒子数算符 ??? N a a+ =的本征态就是FOCK态|n>。 Fock表象也叫占有数表象能量表象二、 相干态的三种定义： 1，湮灭算符的本征态 2. ()0 D αα = 相干态是位移算符作用在真空态上得来的，是谐振子基态的位移形 式。 3.光子数态的分解： 相干态的性质： 1.粒子数分布是泊松分布相干态下的光子的平均数目
2.相干态是最小不确定态 3.相干态并非正交系 4.相干态是光场正频部分（湮灭算符）的本征态，具有和真空态一样的最小测不准关系。 5.相干态的相干度是1. 压缩态： 相干态时： FOCK态时： 压缩算子： 压缩相干态：双光子想干态 一、实现光学压缩态的基本条件 1、有合适的机制，对光强或光场的振幅的起伏进行抑制； 2、有合适的对相位灵敏的放大机制，使得被压缩的光场分量放大，而另一个分量衰减。实现光学压缩态的实验途径 1、四波混频产生光学压缩态 2.用光学参量振荡实现压缩态的实验 三、压缩态光的应用 1）.减小光通讯中的噪声，大大提高信噪比
2）.引力波检测 3）.激光光谱 海森堡绘景下的薛定谔方程： 二能级近似： 电偶极近似： 旋转波近似： 旋转波近似的全量子理论理解： 慢变振幅近似：
量子光学与量子信息 摘要：量子光学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物理问题的一门学科。 关键字：量子光学 量子信息 JC 模型 TC 模型 早在1900和1905年,普朗克和爱因斯坦就提出了光量子假说,并成功解释了黑体辐射谱分布与光电效应,确定了光具有波粒二象性的基本物理思想。然而,长期以来由于经典电磁辐射理论能完满地解释绝大多数物理光学实验现象,光的量子理论并未得到系统发展。直到2O 世纪7O 年代以后,随着激光与光电子技术的进步,一系列用经典理论无法解释的非经典光学效应逐步被实验观测,才形成了以量子化光场为基础的量子光学学科领域。 光量子或称光子为基本能量单元的量子化光场遵循量子电动力学基本规律,严格地说只有用QED 理论,才能解释迄今为止所观察到的所有光学现象。量子光学用量子电动力学理论研究光场的量子性和相干性,以及光与原子相互作用的量子力学效应。当前,量子光学中应用性较强的重要研究领域有:光场的量子噪声,光场与物质相互作用中的动量传递、腔量子电动力学等。 在光学与原子物理这门课程的学习中，我们了解到了量子化这个概念。那么，量子光学在科技实验研究中有哪些应用呢？ 首先，量子光学的原理和理论基础为： 热辐射 基尔霍夫定律 一． 热辐射 1．热辐射：在一定时间内辐射能量的多少及能量按波长的分布都与物体的温度有关，故称电磁辐射为热辐射（温度辐射）； 辐射能(λ,T )，如炉子,酒精灯… 2．平衡热辐射：相同时间内辐射与吸收的能量相等，T 不变 二． 辐出度(辐射出射度,发射本领) 1． 单色辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的波长在λλλd ~+范围内辐射能量)T (dE λ和波长间隔λd 的比值 λλλd )T (dE )T (e = 2． 辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的各种波长的辐射总能量。
第十五章 量子光学 教学基本要求： 1、理解光电效应的实验规律及爱因斯坦光电效应方程。理解光的波粒二象 性。 2、理解康普顿效应的实验规律，以及光子理论对这个效应的解释。 §15-1 黑体辐射 一． 热辐射 1．热辐射：在一定时间内辐射能量的多少及能量按波长的分布都与物体的温度有关，故称电磁辐射为热辐射（温度辐射）； 辐射能(λ,T )，如炉子,酒精灯… 2．平衡热辐射：相同时间内辐射与吸收的能量相等，T 不变 二． 辐出度(辐射出射度,发射本领) 1． 单色辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的波长在λλλd ~+范围内辐射能量)T (dE λ和波长间隔λd 的比值 λ λλd ) T (dE )T (e = 2． 辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的各种波 长的辐射总能量。 λλd )T ,(e )T (E ?∞ =0 三． 吸收比、反射比 1． 吸收比：J B )T (a = 单色吸收比：) T ,(J )T ,(B )T ,(a λλλ= 2． 反射比：J R )T (= ρ 单色反射比：)T ,(J )T ,(R )T ,(λλλρ= 不透明物体：1=+)T ,()T ,(a λρλ
四． 绝对黑体（黑体） 1． 定义：1=)T ,(a λ的物体 是理想模型，可用一带有小孔的空腔近似 黑色物体：吸收所有入射可见光 黑洞：1=)T ,(a λ且0=)T ,(e λ 2． 灰体：1<=ηλ)T ,(a 五、 绝对黑体的辐射定律 1． 维恩位移定律 b T m =?λ K m .b ??=-3108972 2． 斯特藩－玻尔兹曼定律 4T )T (E B σ= 42810675---???=K m W .σ 例：地球距离太阳km .81051?,太阳 直径km .D 610391?=，太阳表面的温度 K T 6000=。若太阳可看成绝对黑体，问在地球表面受阳光垂直照射时每平 方米的面积上每秒钟得到的辐射能是多少？ 六、普朗克公式 1． 瑞利－金斯的工作：经典的电磁场理论＋能量均分原理； 42-=λπλckT )T ,(e B 此公式长波段与实验符合得很好 2． 维恩的工作：经典的电磁场理论＋玻尔兹曼－麦克斯韦分布； T hc B e hc )T ,(e λλπλ- -=522 此公式短波段与实验符合得很好,“把物理学直接引到了量子物理的大门 口”,获1911年诺贝尔奖 3．普朗克公式
2013-2014年第二学期《量子光学基础》考试试题 1、V 型三能级原子与两个经典光场作用。频率为ω1的经典光场与能级|a>，|b>耦合，频率为ω2的经典光场与能级|a>，|c>耦合。系统的哈密顿量为H =H 0+H 1，H 0=?ωa |a >
第二十一章 量子光学基础 一、选择题 1、用频率为ν1的单色光照射某一种金属时，测得光电子的最大动能为E K 1；用频率为ν2的单 色光照射另一种金属时，测得光电子的最大动能为E K 2．如果E K 1 >E K 2，那么 (A) ν1一定大于ν2． (B) ν1一定小于ν2． (C) ν1一定等于ν2． (D) ν1可能大于也可能小于ν2． ［ D ］ 2、用频率为ν1的单色光照射某种金属时，测得饱和电流为I 1，以频率为ν2的单色光照射该金属时，测得饱和电流为I 2，若I 1> I 2，则 (A) ν1 >ν2． (B) ν1 <ν2． (C) ν1 =ν2． (D) ν1与ν2的关系还不能确定． ［ D ］ 3、已知某单色光照射到一金属表面产生了光电效应，若此金属的逸出电势是U 0 (使电子从金属逸出需作功eU 0)，则此单色光的波长λ 必须满足： (A) λ ≤)/(0eU hc ． (B) λ ≥)/(0eU hc ． (C) λ ≤)/(0hc eU ． (D) λ ≥)/(0hc eU ． ［ A ］ 4、已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是 1.2 eV ，而钠的红限波长是5400 ? (A) 5350 ?． (B) 5000 ?． (C) 4350 ?． (D) 3550 ?． ［ D ］ 5、在均匀磁场B 内放置一极薄的金属片，其红限波长为λ0．今用单色光照射，发现有电子放出，有些放出的电子(质量为m ，电荷的绝对值为e )在垂直于磁场的平面内作半径为R 的圆周运动，那末此照射光光子的能量是： (A) 0λhc ． (B) 0λhc m eRB 2)(2+ ． (C) 0λhc m eRB +． (D) 0λhc eRB 2+． ［ B ］ 6、一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电 流的曲线如图中实线所示．然后在光强度不变的条件下增大照射光的频率，测出其光电流的曲线如图中虚 线所示．满足题意的图是： ［ D ］ 7、用频率为ν 的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为E K ；若改用频率为2ν 的单色光照射此种金属时，则逸出光电子的最大动能为： (A) 2 E K ． . （B ） 2h ν - E K ． (C) h ν - E K ． (D) h ν + E K ． ［ D ］
量子光学发展史及其发展现况 摘要:量子光学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物理问题的一门学科。本文对量子光学领域的发展史，现状进行了阐述，并进一步指出了当今的量子光学领域的几个前沿的课题. 关键词:量子光学光子量子理论 1引言 众所周知, 光的量子学说最初是由爱因斯坦于1905年在研究光电效应现象时提出来的，光电效应现象包括外光电效应、内光电效应和光电效应的逆效应等等，爱因斯坦本人则是因为研究外光电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得了诺贝尔物理学奖；这是量子光学发展史上的第一个重大转折性历史事件，同时也是量子光学发展史上的第一个诺贝尔物理学奖。尽管爱因斯坦终生对科学的贡献是多方面的（例如，他曾建立了狭义相对论和广义相对论等等），但他本人却只获得了这唯一的一次诺贝尔物理学奖。 2 量子光学的发展简史 1905年，A.阿尔伯特·爱因斯坦提出了光子假设，成功地解释了光电效应现象，爱因斯坦认为光子不仅具有能量，而且与普通实物粒子一样具有质量和动量（见光的二象性）。1923年，A.H.康普顿利用光子与自由电子的弹性碰撞过程解释了X射线的散射实验（见康普顿散射）。与此同时，各种光谱仪的普遍使用促进了光谱学的发展，通过原子光谱来探索原子内部的结构及其发光机制导致了量子力学的建立。所有这一切为量子光学奠定了基础 从1906 年到1959 年的这50 多年时间内, 有关光的量子理论的研究工作虽然也曾取得过许多重要成就, 但就其总体发展而言, 仍然是比较缓慢的. 其最明显特征就是光的量子理论尚未形成完整的理论体系. 自1960 年国际上诞生第一台红宝石激光器以来, 有关这一领域的科学研究工作进入到了空前活跃的快速发展时期. 由此, 直接导致了量子光学的诞生与发展. 真正将量子光学的理论研究工作引上正轨并推向深入的, 是E1T 1Jaynes 和F1W 1Cumm ings 两人。1963 年, E. T. Jaynes 和F. W. Cumm ings 两人提出了表征单模光场与单个理想二能级原子单光子相互作用的Jaynes2 Cumm ings 模型, 这标志着量子光学的正式诞生. 此后, 人们围绕着标准JCM 及其各种推广形式做了大量的而且是富有成效的理论与实验研究工作. 随着研究工作的深入和深化, 随着研究对象、研究内容和研究范围的拓展, 以及随着研究方法和研究手段的更新与改进, 今天的量子光学领域已经出现了一系列全新的、重大突破性进展. 特别是在1997 年, S . Chu, C. C. Tannoudji和W. D. Ph illi p s 等人因研究原子的激光冷却与捕获而分获1997 年度诺贝尔物理学奖, 从而将量子光学领域的研究工作推向了第一个高潮. 1997 年以后, 量子光学领域又出现了许多新的发展迹象. 因此,在这种情况下, 我们有必要对量子光学领域已往的辉煌成就进行总结回顾, 并对当前量子光学领域的最新发展动态以及下个世纪初量子光学领域的未来发展趋势和发展方向进行分析与展望, 以使人们在今后新的探索中能够受到新的启发, 并力争在21 世纪初期取得更大的突破. 3 量子光学的若干发展领域
量子光学模型 量子光学模型及其发展 A.各种量子光学模型 1.标准JCM的物理内涵、重要性和局限性 1.1标准JCM的物理内涵 1963年，E.T.Jaynes和F.W.Cummings两人提出了表征单模光场与单个理想二能级原子单光子相互作用的Jaynes—Cummings模型(以下简称标准JCM)，这就是历史上著名的标准JCM，它是一个数学意义上的严格精确可解模型。这个模型的建立，标志着量子光学的正式诞生。此后，人们围绕着标准JCM及其各种推广形式做了大量的而且是富有成效的理论与实验研究工作。 1.2标准JCM的重要性——科学价值和技术价值 第一，标准JCM的建立，既标志着量子光学领域的理论研究工作步入正轨，使得人们关于场—原子之间相互作用的理论研究工作一下子深入到了物质结构的深层次，同时又促进量子光学领域的理论研究向纵深发展。虽然，在当今量子光学领域中标准JCM只是一个很简单的模型，但它在整个量子光学的建立与发展过程中所起到的历史性转折作用却是毋须置疑的。这就是标准JCM的科学价值。 第二，随着微波激射技术的发展，随着单原子微波激射器的研制成，人们目前已经能够在微波腔中产生并制备各种非经典光场态，并利用单原子微波激射器来研究场—原子相互作用过程中场及原子的各种动力学特性、各种线性和非线性效应的物理机制，以及各种经典和非经典效应的物理本质等。尤为重要的是，利用单原子微波激射器还可以在微波腔内再现标准JCM的各种物理属性等。因此，从这个意义上讲，单原子微波激射器实质上就是标准JCM的物化和技术再现。可见，标准JCM不只体现在理论上，而且还体现在实物原型上，它是科学与技术的完美结合体。这就是标准J CM的技术价值。 1.3标准JCM的局限性 由于标准JCM过于简单，故不足以描述整个量子光学领域中场—物质(原子、分子或离子)之间的各种相互作用问题。其局限性主要表现在以下5个方面：①标准JC M只考虑了单模光场情形，而对于双模及多模光场未进行任何探讨；②标准JCM只考虑了单个理想二能级原子情形，而对于两个及多个二能级原子以及两个及多个多能级原子的情形未进行任何探讨；③标准JCM只考虑了场—原子之间的单光子相互作用，而对于简并双光子和简并多光子相互作用的情形未进行任何探讨；④标准JCM 是一个线性相互作用模型，而对于场—原子之间以及原子—原子之间的各种非线性交叉耦合相互作用未进行任何探讨；⑤标准JCM是在旋转波近似下获得的，而对于未作旋转波近似时虚光场(即在系统的Hamiltonian中违背能量守恒定律的项)的影响等未进行任何探讨。 这就是标准JCM的理论缺限和不足之处。
量子光学与量子信息 摘要：本文简要介绍量子光学及量子信息学科的研究内容及发展概况,侧重概述该领域的重要实验研究成果及应用前景。 关键词：量子光学量子信息应用前景 Quantum Optics and Quantum Information Abstract:This paper describes research in quantum optics and quantum information science and development overview, focusing on an overview of important experimental research and application prospects in this field. Key words:Quantum Optics Quantum Information Application Prospect 量子光学与量子信息是20世纪末期兴起的最具生命力的新兴学科，它们以不可替代的实验手段验证那些尚存争议的量子力学基本原理，从深层次上推动着物理学的发展。另一方面，将基本理论与操纵单量子的独特实验方法应用于信息处理，又开拓出实用性极强的量子信息新领领域。域。正由于此，这两门学科不仅吸引着世界众多理论与实验物理学家为之努力，得以日新月异地迅猛发展，而且它在通讯、信息处理及计算机科学中所显示出的令人震撼的具大潜力与优势，也引起各国金融界、工业界及政府部门的广泛关注。我国在国家科技部、教育部及国家自然科学基金委等部门的支持下，也开展了这一领域的研究,形成了一支以中青年为主的科研队伍，在理论与实验两方面都做出了一些重要的、具有创新性的贡献，获得国际同行的认可和好评。当前，量子光学与量子信息学科正处于取得重大突破的前夜，许多问题尚待探索，是极具挑战性的前沿科学研究。 1 量子光学 早在1900和1905年，普朗克和爱因斯坦就提出了光量子假说,并成功解释了黑体辐射谱分布与光电效应，确定了光具有波粒二象性的基本物理思想。然而，长期以来由于经典电磁辐射理论能完满地解释绝大多数物理光学实验现象，光的量子理论并未得到系统发展。直到20世70年代以后，随着激光与光电子技术的进步，一系列用经典理论无法解释的非经典光学效应逐步被实验观测，才形成了以量子化光场为基础的量子光学学科领域。 以光量子或称光子为基本能量单元的量子化光场遵循量子电动力学基本规律，严格地说只有用QED理论，才能解释迄今为止所观察到的所有光学现象。量子光学用量子电动力学理论研究光场的量子性和相干性，以及光与原子相互作用的量子力学效应。当前，量子光学中应用性较强的重要研究领域有：光场的量子噪声，光场与物质相互作用中的动量传递等。 1.1 光场的量子噪声 光场的量子噪声在光子学及其诸多的应用研究中占有重要的地位。量子噪声与光放大、光探测等物理过程紧密相关。若在光场的每一个模式中的光子数很大，则完全可用光的经典理论来描述，反之，若每一个模式中有一个或少数的光子时，就必须考虑量子噪声的影响。为了克服或消除量子噪声的影响，人们卓有成效地进行了诸多方面的研究。 （1）光场压缩态的产生和应用 随着认识的深人，人们已经发现有三类光：一是混沌光,它是自发辐射过程产生的光子构成的，给出的是最大噪声的光场；二是相干光即激光，具有很低的总噪声，并称之为真空噪声；三是由非线性过程产生的非经典光，如压缩光、光子数态光等。 由于压缩态中可以使光场的某个正交分量具有比相干态更小的量子噪声，因此，在光通信、高精度测量等诸多应用中可突破散粒噪声极限，具有极为重要的实际意义。 自1985年首次在实验中获得压缩光场的近十多年来，世界各国的有关实验室在光场压缩态的获得和探测等方面进行了卓有成效的研究工作，已实现了正交相位压缩、强度差压缩、
第21章量子光学基础一、热辐射 热辐射的实验规律如右图能谱曲线所示。 1、基尔霍夫定律： （1）单色辐出度 从物体表面单位面积上辐射出来的波长从到围的辐射功率与波长间隔的比值：。（2）辐出度： （3）黑体：凡照射到某体上的辐射能量都被该物体全部吸收的物体称为黑体。它的吸收系数。它的反射系数。黑体的吸收本领最大，它的辐射本领也最大。 （4）基尔霍夫定律： 任何物体的单色辐出度与单色吸收比都等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度，与物体的性质无关。即： 2、斯忒藩-玻尔兹曼定律 在一定的温度T，黑体的辐出度： 式中称为斯忒藩恒量， 3、维恩位移定律 式中为最大单色辐出度的波长，也叫峰值波长，恒量。 4、普朗克公式 （1）普朗克量子假设 物体辐射或吸收的能量是不连续的。存在着能量最小单元，称为能量子。物体辐射和吸收
的能量只能是这个最小单元的整数倍。 （2）普朗克公式： 式中c是光速，k是玻耳兹曼常数，为普朗克常数。 二、光电效应 1、光电效应的实验规律 （1）饱和电流与入射光强成正比。 （2）光电效应存在一定的截止频率。 （3）光电子的初动能（遏止电压）与入射光频率成线性关系，而与入射光强度无关。（4）光电效应的弛豫时间非常短。 2、爱因斯坦光子假设 光是以光速c运动的粒子流。这些粒子称为光子。每一光子的能量。（质量，动量）光的能量密度S（光强）决定于单位时间通过单位面积的光子数N，频率为的单色光的能流密度。 3、爱因斯坦方程 式中A为逸出功：为逸出电位差。 当初动能为零时：为截止频率，称为红限波长。 初动能和遏止电压的关系： 利用光子假设和爱因斯坦方程能够解释光电效应实验规律。 三、康普顿效应 1、x射线散射实验规律
量子光学的进展 光物理是近代物理发展最活跃的领域之一。特别是近30年来，由于激光的问世，光学的面貌发生了深刻的变化，光物理的研究内容也从传统的光学与光谱学迅速扩展到光学与物理其他分支学科的交汇点。诸如激光物理、非线性光学、高分辨率光谱学、强光光学和量子光学正不断趋于完善和成熟。 量子光学是研究光场的量子统计性质与物质相互作用的量子特征的学科。它包括：非经典光场‘激光操纵原子、分子及其应用’量子光学和量子力学的交叉与渗透的研究。 尽管人类认识到光的量子性已经近一百年，但是应用量子理论研究光辐射与光场的相干性及统计性还只是近年来的事。从光量子论的诞生，到随后量子力学的建立，对物理学乃至整个自然科学产生了极其深刻的影响。 一 hbt实验 1956年，由汉堡、布朗及退斯完成了光学关联实验。这一实验又常以三人姓氏第一字母打头，被称为hbt实验。他们把发自放电管的辐射，经滤波后，由半透半反分光器分为两束，其中一束经时间延迟器。两只光电倍增管分别接收两束光后，再把其输出信号馈送到一个相关器中。这样，相关器测量到的将是两个不同时空点光场强度起伏的关联，不再是过去的相干实验中所测的光场强度自身的相位关联。 通过这一实验，他们首次证实了光场存在有高阶相关效应，这是过去任何经典干涉与衍射实验所没能观察到的。就相干光的频率而言，光场的强度起伏关联是一个缓慢变化的量，它的测量值受到外界的扰动要比测量相位关联微弱得多。 hbt实验给相干性带来了全新的概念。根据经典理论，传统光场的随机性只用一个一阶相关函数描述就够了，这就是一阶相干度为1时，即对应完全相干性情况。然而，hbt实验测出的光场起伏却表明，上述相干性的描述并不完备，还必须补充二阶或更高阶的相关函数。只有当一阶、二阶或更高阶的相干度均为1时，才能称为完全相干光。在普通光源情况下，不可能获得这种真正的完全相干光。然而，一台理想的激光器所产生的光场就处于相干态，只有激光诞生后，人们才有可能获得真正的相干光源。 二压缩态研究 hbt实验还表明，量子电磁场意义下的相干态光场，并不是无噪声的光场，它们包含了真空起伏的量子涨落，因而具有经典体系所不具有的统计性质。这种光场的量子性又导致人们对压缩态的研究。 根据量子场论，处于真空中，各量子场的每一个振动模式仍会不停地振动，这种振动称为真空零点振荡。与此同时，真空中各量子场间还会相互作用，不断有各种虚粒子产生、消失或转化，这就是真空的量子涨落。从这种意义上看，真空本身就是一种极其复杂的媒质。因此，
1）影响比较大的量光书有四本：Scully和Zubairy的“Quantum Optics”,Walls和Milburn 的同名书，Wolf和Mandel的“Optical coherence and quantum optics”，以及Meystre 和Sargent的“Elements of quantum optics”。这三本书的作者都是量子光学界的泰山北斗，他们书都介绍了量子光学的基本理论体系，但其余部分各有千秋。Scully书有将近一半的篇幅是介绍他和他的学生发展起来的专题，比如无反转激光（LWI）、Micromaser、Correlation emission laser等等（还有chap15、20、21）；新西兰学派的Walls的书在压缩态等方面很有特点，因为他本身是这方面的权威；罗彻斯特大学的Mandel的书最详细，涉及光量子相干理论方面很详细；Meystre和萨晋的书比较简洁清晰，没有太多的应用专题。 2）其他还有Gerry和Knight的“Introduction to Quantum Optics”，难度稍微低一些，比较适合入门；Bachor和Ralph的“A Guide to Experiments in Quantum Optics”,这书是专门针对量子光学实验方面的，对重要实验都介绍的很好；Barnett和Radmore的“Methods in Theoritical Quantum Optics”偏重于介绍量子光学中使用的数学工具。 3）还有一本书我个人也非常推崇，就是Claude Cohen-Tannoudji等人的“Atom-Photon Interactions”，塔诺吉是97年诺奖得主，冷原子物理的大牛之一。他的量子力学非常有名。不知道为什么法国人写的书非常详细清晰，里面的练习和解答很全。对你实际解题计算很有帮助。 4）还有一些著名大学的量子光学课程也非常不错，我个人首推哈佛物理系Lukin的AMO （原子分子光物理），内容很新，可以了解最新的进展。Lukin原是Scully在德克萨斯A&M的学生,最近在量子信息存储的工作很突出，理论实验都很强。 Quantum Optics and non-relativistic QED 1.、Leonard Mandel and Emil Wolf, Optical coherence and quantum optics (1995). One of the most comprehensive and complete texts on quantum optics. Gives a good survey of most techniques and topics. 2、D. F. Walls and G. J. Milburn, Quantum optics (1995). A concise textbook focusing on squeezed states and noise mechanisms (master equations). 3、Herch M. Nussenzveig, Introduction to quantum optics (1973). Particularly helpful for coherent states. 4、Peter W. Milonni, The quantum vacuum : an introduction to quantum electrodynamics (1994). A very interesting book which mostly deals with the effect of boundaries (Casimir effect) and some particular quantum field theoretical effects in (mostly non-relativistic) QED. 5、Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc, and Gilbert Grynberg, Photons and atoms : introduction to quantum electrodynamics (1989). In this book the fundamental equations of non-relativistic QED are thoroughly explained. 6、Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc, Gilbert Grynberg, Atom-photon interactions : basic processes and applications (1992). A very good book dealing with the fundamental techniques to describe the interaction of atoms with light. Includes dressed states, resolvent method, master equations.
N e w Technology 新技术 110 一、发展现状及趋势 近十几年来，量子通信的距离和速率都有了飞跃式的提升，一些小规模的量子通信试验网已经建成，验证了量子通信技术网络化的可行性。欧盟已提出欧洲量子通信未来发展目标，将重点发展量子中继和卫星量子通信，实现千公里量级的量子密钥分发；日本国立信息通信研究院计划到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络；美国洛斯阿拉莫斯国家实验室过去几年中则一直在悄悄创建一套辐射状的量子互联网。 我国尽管属于后来者，但起点高，进展快，在应用研究的多个方面已经达到世界先进水平，2012年初，潘建伟小组在合肥市建成世界上规模最大的46节点量子通信试验网，标志着大容量的量子通信网络技术已取得关键突破；与此同时，金融信息量子通信验证网在北京开通，在世界上首次实现利用量子通信网络对金融信息的安全传输。另外还牵头组织了中科院战略先导专项“量子科学实验卫星”，计划在2016年左右发射，在此基础上将实现高速星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络，初步构建我国广域量子通信体系。在城域量子通信关键技术方面已达到产业化要求，产业化预备与欧美处于同等水平。 潘建伟认为，目前，我国量子保密通信技术在城域网上的使用基本成熟，已经可以推广；城际量子通信网络方面，连接北京和上海的千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”已正式立项，有望在两三年内投入使用。但要实现广域的量子保密通信，还需要借助卫星。 可以预想，随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现，在不久的将来，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，量子保密通信将有望走向大规模应用，成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器，为当今信息化社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。 二、量子信息应用的主要领域 在量子信息中，用一定量子体系的量子态对信息进行编码，即以量子态作为信息的载体，按照量子力学的叠加原理等规律对量子态进行传送或逻辑操作，从而达到量子信息处理的目的。量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科，主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等；量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。 量子光学与量子信息领域中的通信技术 【摘要】 量子光学的量子特性在信息领域有着独特的功能，利用其压缩态、纠缠态、偏振等性质在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面有望突破现有经典信息系统的极限。量子通信在一定程度上已经实现了商业应用并具有广阔的市场应用前景，特别是在量子密码和量子计算方面有突破性进展。【关键词】 量子光学 量子信息 量子密码 量子计算机 2.1量子密码 保密通信不仅在军事、国防等领域发挥独特作用，而且对当今的社会发展也日渐重要。量子密码是量子信息领域最有可能获得实际应用的技术。传统的保密通信可以分为“加密”、“接收”、“解密”三个过程，发送者将发送内容通过某种加密规则(密钥)转化为密文，接收者在接到密文后采用与加密密钥匹配的解密密钥对密文进行解密，得到传输内容。 量子保密通信的过程也相同，只不过作为加密和解密的密钥不再是传统的密码，而是改用微观粒子携带的量子态信息。这一看似微小的变化，使密钥的安全性产生了彻底变化。 量子密码术以量子物理基本规律为依据，利用量子态的非局域纠缠性，使任何窃取信息的过程都不可能不留下痕迹，而量子不可克隆原理，又使非法者不可能采用任何技术通过克隆窃取信息，这就从根本上保证了量子通信的保密性和可靠性。目前采用量子光学原理，已成功在光纤中实现了30km 的密钥传递，为量子密码术的发展展现了美好前景。中科院开展了利用光纠缠态进行量子保密通讯的实验研究，目前在量子通信技术的网络化研究方面，中国科大潘建伟小组于2008年建成光量子电话网，实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话。 量子密码传送的实验分两类：一类是光子在通常用的光纤中传播；另一类是在自由空间中传播。自由空间中的量子密钥分配通常利用偏振态来编码，主要困难是大气环境、背景光等复杂因素的影响严重，因此通常只能在天气良好无月光的深夜开展实验。相比较于自由空间传输而言，光纤量子密钥分配更易实现和实用，当然由于光纤存在损耗，因此光纤量子密码的传输距离只能在几百公里的范围内；除了距离，更需要解决的问题是如何满足多用户需求。所以光纤量子密码实用化的关键性问题是发明新型的光学干涉环，解决相位编码光纤QKD 系统的稳定性问题，另外是发明量子路由器，解决实现光纤量子通信网络的关键性困难。这两项现在百公里和小范围的光纤网络中得以应用量子密码，建设量子密码网络并非易事，还涉及网络工程和现代光通信等领域，需要物理学家和网络工程师、通信工程师、软件工作者的通力合作。 2.2量子计算机 目前的计算机运转都是基于经典物理规律，称之为经典计算机。近些年来，人们已经认识到经典计算机有着某些不可克服的局限性。比如，不可能产生真正的随机数序列，无