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量子光学

量子光学

必须指出的是，光量子学说的提出，成功的解释了光电效应现象的实验结果，促进了光电检测理论、光电检 测技术和光电检测器件等学科领域的飞速发展；因此，从这个意义上讲，爱因斯坦是光电检测理论之父。不仅如 此，光量子学说的提出最终导致了量子光学的建立，所以说它是量子光学发展的源头和起点；因此，从这个意义 上讲，爱因斯坦是量子光学的先驱和创始人。尤为重要的是，爱因斯坦在其光量子学说中所提出的有关光量子这 一概念，几经发展形成了当今的光子这一概念，最终导致光子学理论的建立，并由此带动了光子技术、光子工程 和光子产业的迅猛发展；可见，光量子学说是光子学、光子技术、光子工程和光子产业的发端；因此，从这个意 义上讲，爱因斯坦是光子学、光子技术、光子工程和光子产业的先导。除此而外，爱因斯坦在研究二能级系统的 黑体辐射问题时曾提出了受激辐射、受激吸收和自发辐射这三个概念，并形式的引入了爱因斯坦受激辐射系数、 受激吸收系数和自发辐射系数这三个系数等等；特别是受激辐射这一概念的提出，最终导致了激光器的发明、激 光的出现和激光理论的诞生，直至形成了当今的激光技术、激光工程和激光产业；因此，从这个意义上讲，爱因 斯坦本人是当之无愧的激光之父和激光理论的先驱。
图5研究实验
图6量子光学除了单个原子的自发辐射外，还有多个原子在一起时产生的相干自发辐射，也称超辐射。
发展历程
01
光电效应
02
理论体系
03
推向深入
04
学科成就
06
理论规则
05
激光之父
图7 M·普朗克提出了能量子假设众所周知，光的量子学说最初由A．Einstein于1905年在研究光电效应现象 时提出来的[注：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诺贝尔物理学奖；这是量子光学发展史中的第一 个重大转折性历史事件，同时又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，他曾建立狭义相对论和广义相对论等等），但他本人却只获得这唯一的一次诺贝尔物理学奖]。

《量子光学》课件

《量子光学》课件

压缩态：量子光 学中的特殊状态， 其量子态密度小 于真空态密度
特点：压缩态具 有较高的相干性 和较低的噪声， 可以提高量子通 信和量子计算的 效率
应用：压缩态在 量子通信、量子 计算、量子精密 测量等领域具有 广泛的应用前景
研究进展：近年 来，压缩态的研 究取得了重要进 展，如压缩态的 制备、测量和操 控等。
量子光学在量子通信、量子 计算等领域有广泛应用
量子光学的研究内容
量子光学的基本 原理
量子光学的实验 方法
量子光学的应用 领域
量子光学的发展 趋势
量子光学的发展历程
量子力学的诞生：1900年，普朗克提出量子概念，量子力学开始萌芽 量子光学的兴起：1927年，海森堡提出不确定性原理，量子光学开始发展 量子光学的成熟：1948年，玻尔提出量子光学理论，量子光学逐渐成熟 量子光学的应用：20世纪60年代，量子光学在通信、计算等领域得到广泛应用
量子光场的相干态描述
相干态：量子光场的一种特殊状态，具有确定的相位关系
相干态的性质：相干态具有确定的相位关系，可以描述为相干态的叠加
相干态的表示：相干态可以用相干态的叠加来表示，其中每个相干态的相位关系是确定的
相干态的应用：相干态在量子光学、量子信息等领域有广泛的应用，如量子通信、量子计算 等
单光子计数是一 种常用的量子光 场测量方法，可 以测量单个光子 的存在和数量。
光子关联测量是 一种测量量子光 场中光子之间的 关联性的方法， 可以测量光子之 间的纠缠、相干
等性质。
量子态层析是一 种测量量子光场 中光子状态的方 法，可以测量光 子的波长、偏振、
相位等信息。
量子光场的测量 实验
实验目的：测量量子光场的性质和 特性

量子物理第一章.ppt

量子物理第一章.ppt
尽管单个电子的去向是概率性的，但其概率在 一定条件下（如双缝），还是有确定的规律的。
玻恩（M.Born）：德布罗意波并不像经典 波那样是代表实在物理量的波动，而是描述粒 子在空间的概率分布的“概率波”。
7
四. 黑体辐射的规律 1. 斯特藩-玻耳兹曼定律
M(T)=T 4 = 5.6710-8 W/m2K4
2．维恩位移律
m = b/T b = 2.897756×10-3 m·K
3．理论与实验的对比 经典物理学遇到的困难
8
五.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式
1．“振子”的概念（1900年以前)
• 物体----------振子
1 I1 2 I2 双缝实验
波面被分割，不表示光子被分割， 光子通过 1缝的概率正比于I1 ， 光子通过2缝的概率正 比于I2 。
光子在某处出现的概率和该处光振幅 的平方成正比。
18
四.应用
例题: 铝的逸出功是4.2eV,今用波长为200nm
的光照射铝表面,求:
(1)光电子的最大动能;
(2)截止电压
• 经典理论：振子的能量取“连续值”
2. 普朗克假定（1900）
能量
物体发射或吸收电磁辐射:
= h
h = 6.6260755×10 -34 J·s
3.普朗克公式
经典 量子
2h 3
M (T ) c2 eh / kT 1
在全波段与实验结果惊人符合
9
§6.2 光电效应
一.光电效应的实验规律 1.光电效应
h 0
ej
m0
传给电子 光子的能量
自由电子（静止） mv 散射X射线频率 波长
23
三. 康普顿散射实验的意义

2020全国物理竞赛—光学-第09章 光的量子性(共32张PPT)

2020全国物理竞赛—光学-第09章 光的量子性(共32张PPT)
● 电子从金属表面逸出时的最大速度应与光强有关。
Einstein的光子假设
Einstein摆脱经典电磁理论的束缚。在1905年3 月，发表“关于光的产生和转化的一个启发性观 点”论文。写道，“关于黑体辐射，光致发光， 紫外光产生阴极射线，以及其它一些有关光的产 生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间 不是连续分布的假设来解释，似乎就更好理解。” “从点光源射出的光束的能量，在传播中不是连 续分布在越来越大的空间中，而是由个数有限的 局限在空间各点的能量子所组成。这些能量子能 够运动，但不能再分割，只能整个地被吸收或产 生出来。”
量
5.67 108W m2 K 4
把太阳当成黑体。太阳表面的辐出度约为 6.13×107W ·m-2 。 表面温度为5734K 。
3、Wien公式：假设黑体是谐振子组成，谐振子的 能 量遵循Boltzmann 分布律，得到单色 辐出度与波长的关系。
M0 (,T
)
C1
5
eC2
/(T )
在短波区，理论与实验曲线符合得很好，但随着 频率减小（波长变大），理论与实验的差距越来越大。
m h / c2
● 光子的动量: p h / c h /
光电效应的量子解释
1、 饱和电流与逸出的光电子数成正比，即与到金属 表面的光子数成正比，因此与入射光的强度成正比。
2、 由Einstein方程可知，对给定的金属，逸出功一 定，故光子的频率越高，光电子的能量越大。
3、 如入射光的频率过低，光子能量小于金属的逸出 功，即使入射光很强，仍不可能产生光电效应。这 个极限频率 0 W称/为h 红限频率，所对应的波长为 红限波长。
光电效应的量子解释
4、 金属中的电子能一次全部吸收入射的光子的能量， 故光电效应无需积累能量的时间。

[课件]量子光学-1PPT

[课件]量子光学-1PPT
（瑞利—琼斯公式） 当 则 时，即波长向短波（紫外）方向不断变短时，
*维恩公式: 应用类似于麦克斯韦速率分布方法.
e T , c e 0 1
c 2 5 T
在短波区域与实验相附合,在长波区有较大偏离.
经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论，物理学史上称之 为 “ 紫外灾难 ” 。 黑体辐射问题所处的困境成为十九世 末“物理学天空中的一朵乌云”，但它却孕育着一个新物理概 念的诞生。
量子光学-1
2、近年来的发展
•粒子物理： •量子电动力学、重整化方法 •天体物理：
•太阳中微子短缺问题 •引力波存在的问题 •物体的速度能否超过光速的问题
•生物物理
•有机体遗传程序的研究（须运用量 子力学、统计物理、X射线、电子能 谱和核磁共振技术等）。 •非平衡热力学及统计物理
3、物理学发展的趋向
黑体实验模型
黑体辐射测量
黑体（小孔表面） 分光元件
集光透镜 平行光管 会聚透镜及探头 分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一 定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强 度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。
实验结果：
（1）绝对黑体的总辐出度E 0(T) 随绝对温度T的升 高迅速地增大； （2）随温度 T增高, m值向短波长方向移动。 （3）绝对黑体的辐射规律与空腔的形状及材料无关； e0(T, )
数学表达式， T , 角度去寻找符合实验曲线的 e 0
但均无成功，其中最具有代表性的是瑞利—琼斯和 维恩所做的工作。
经典物理遇到的困难
*瑞利---琼斯公式:1890年，瑞利和琼斯将经典的电磁 理论和分子运动论中的能均分定理应用到热辐射中，
但沿用经典物理概念（如经典电磁辐射理论和能量均分定理） 去推导一个符合实验规律的黑体单色辐出度函数 均遇到困难。瑞利—琼斯推导结果是

量子力学PPT-01

量子力学PPT-01

如速度v=5.0102m/s飞行的子 弹，质量为m=10-2Kg，对应的 德布罗意波长为：
h 1.3 10 25 nm mv
太小测不到！
h 1.4 10 2 nm mv
X射线波段
二、电子衍射实验
1、戴维逊-革末实验
戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子 束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释， 从而验证了物质波的存在。1937年他们与G. P.汤姆孙一起获得 Nobel物理学奖。 K
（ 7）
p 对于光子， h / c, p h / c 则
h 2 p p pp cos cos c
代入式（7），可解出

或
h 1 2 (1 cos ) mc

（ 8）
1 1 h [1 (1 cos )] 2 mc
2、跃迁频率法则：原子在两个定态之间跃迁 时，吸收或发射的辐射的频率ν是
h En Em
（频率条件）
(二)玻尔理论的成就和局限性:
成就:
玻尔理论成功地解释了氢 原子和碱金属的线光谱. 局限性: 无法解释光谱线的强度, 无法解释其它的复杂原子.
§1.4 微粒子的波粒二象性
一、德布罗意的物质波
实验装置：
电子从灯丝K飞出，经电势 差为U的加速电场，通过狭 缝后成为很细的电子束，投 射到晶体M上，散射后进入 电子探测器，由电流计G测 量出电流。
G
M
实验现象：
I
实验发现，单调地增加加速电压， 电子探测器的电流并不是单调地增 加的，而是出现明显的选择性。例 如，只有在加速电压U=54V,且 θ =500时，探测器中的电流才有极 O 大值。

《量子光学》课件

详细描述
量子光学的发展经历了从经典到量子、从理论到实验的演变。
总结词
量子光学的发展始于20世纪初，当时科学家开始研究光的量子性质。随着量子力学的建立和发展，人们逐渐认识到光不仅具有波动性质，还具有粒子性质。此后，量子光学逐渐发展成为一个独立的学科领域，并不断取得新的研究成果和突破。
详细描述
CHAPTER
CHAPTER
量子光学应用
05
03
量子信道容量
研究量子信道的容量限制，为量子通信技术的发展提供理论支持。
01
量子密钥分发
利用量子态的不可复制性，实现通信双方安全地生成和共享密钥，用于加密和解密信息。
02
量子隐形传态
利用量子纠缠，实现量子态的信息传输，即使在遥远距离上也能传送量子态的信息。
利用量子并行性和量子纠缠等特性，设计高效的量子算法，用于解决某些经典计算机难以处理的问题。
《量子光学》PPT课件
目录
contents
量子光学概述量子光场的描述量子光源量子光学实验量子光学应用总结与展望
CHAPTER
量子光学概述
01
量子光学是一门研究光子与物质相互作用、光子自身行为的科学。
总结词
量子光学是物理学的一个分支，主要研究光子与物质的相互作用以及光子自身的量子行为。它涉及到光子的产生、传播、吸收、散射等过程，以及光子与其他粒子相互作用时的量子特性。
新型量子光源
单光子源可实现单光子级别的操作、量子纠缠光源可实现量子通信和量子计算等应用。
特点
量子通信、量子计算、量子传感等。
应用
CHAPTER
量子光学实验
04
总结词
揭示量子波动性
详细描述
双缝干涉实验是量子光学中经典的实验之一，通过让单光子依次通过两条细缝，在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹，从而证明了光具有波动的特性。

《量子光学》PPT课件_OK


2.11030
hn 6.6261034 0.71
2021/7/21
33
当量子数n改变一个单位，振动系统的能量改变的百 分比为
E n
1
10 30
E n 2.11030
可以看出，相对于宏观振子，其量子数n甚大、 能级
差很小, 振动系统能量的分立特性不明显。因此在经 典力学中，可视宏观振子的能量是连续变化的。
1. 选择性吸收体：在一定温度下，只对某些 或某段波长范围的辐射有明显吸收，对其他波 长吸收很少。 有色反光体 2. 灰体：单色吸收系数是一个常数，但小于1.
它对各种波长的辐射有同等程度的吸收和 反射. 3. 绝对黑体： 在任何温度下均能全部吸收投 射到它上面的辐射，即吸收系数为1，反射系数 为0.
轴截距 称为截止频率或
红限，
，入射光频率
小于截止频率时无论光 强多大
遏止电势差的大小与入射光 都不能产生光电效应。每种金 的频率成线性关系，与光强无关。 属有自己的截止频率。
与材料 无关的普适常量
与材料 有关的常量
时无论光强多弱41 ，光 照与电子逸出几乎同时发生。
波动理论的困难
42
光量子理论
43
普朗克常量 数值为 6.63×10- 3 J ·s 4
并很快被检验与实验结果相符。
27
Eo ( T )
4
理论曲线
1011 W m -2 m -1 普朗克的黑体
单色辐出度函数及曲线线
3
e 2phc 2
E o(T) = 5
1
hc
kT 1
2
1
0
0
1
2
波 长 28
3
4
5
10- 6m
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27
M (T ) /(1014 W m3 )
可
1.0
见
光
区
0.5
6000K
3000K / nm
0
1000 2000
m
普朗克的能量子假说
T m
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。
28
m
普朗克的能量子假说
29
（3）维恩定律
ec3 T
M o (T ) c2 5
两大新理论的诞生： ①狭义和广义相对论；
②量子力学
引言
18
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
微观世界的理论 起源于对波粒二相性的认识
爱因斯坦光量子假设 康普顿散射
光的粒子性
光的波动性
光的波粒二象性
引言
16
“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”.
E吸收 E入射
普朗克的能量子假说
22
2. 基尔霍夫定律
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
普朗克的能量子假说
23
一个好的发射体一定也是好的吸收体。
基尔霍夫定律：实验发现，在温度一定时，物体在某 波长λ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
M1(,T ) M 2 (,T ) 1(,T ) 2 (,T )
M0 (,T )
普朗克的能量子假说
24
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？
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。
宏观领域 量子力学
经典力学
量子力学 相对论
现代物理的理论基础
普朗克的能量子假说
§ 2 普朗克的能量子假说
一、热辐射现象
1. 热辐射的基本概念
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)。
19
False-colour infrared image of Whirlpool galaxy
--1900, Lord Kelvin
引言
17
§1 引言
经典物理的几个困难：
⑴黑体辐射问题→“紫外灾难” ；
⑵光电效应→n<n0,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；
⑶原子的线状光谱及其规律,巴尔末公式的物理机制？ ⑷原子稳定性；
⑸固体分子的比热问题:Ｃｖ＝３Ｒ→Ｃｖ＝0；
量子光学基础
14
§1 引言 §2 普朗克的能量子假说 §3 爱因斯坦的光量子假设 §4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论 §5 激光器的工作原理 §6 与其它学科的联系
量子光学基础
15
热辐射 基尔霍夫定律
黑体辐射
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
光电效应
普朗克量子假设
量子光学导论
2021-2-20
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.
普朗克的能量子假说 二、 黑体辐射的基本规律
A
L1
B1
25
P L2
B2
C
A为黑体 B1PB2为分光系统 C为热电偶
测定黑体辐出度的实验简图
黑体辐射
26
实验结果:
钨丝和太阳的单色辐出度曲线
太阳 M (T )(10 8 W/m3 )
太阳 钨丝 M (T )(10 9 W/m3 ) （5800K）
12
可见
10
光区
8 钨丝 6 （5800K）
4
2
n /1014 Hz
0 2 4 6 8 10 12
普朗克的能量子假说
黑体辐射规律: （1）斯忒藩—玻尔兹曼定律
M (T )
0
M
(T
)d
T
4
斯忒藩—玻尔兹曼常量
5.67108 W m2 K4
（2）维恩位移定律
mT b
峰值波长
常量 b 2.897103m K
M (T ) M (T )d
0
普朗克的能量子假说
21
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:
(T )
E吸收 E 入射
吸收能力的量度
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:
(,T )
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。
Thermogram of man
普朗克的能量子假说
20
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
M
(T(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 )
M 0 (T )
（c2和c3为经验参数）
维恩线 01 2 3 4 5 6 7 8 9
( m)
普朗克的能量子假说
30
（4）瑞利-金斯定律
Mo (T ) c1 4 T
M 0 (T )
(c1 2 ck)
瑞利-金斯线
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (m)
Zubairy, Cambridge University Press • Quantum 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 13：15~16：15 • 考核地点：综合楼D309