激光物理简介.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基础篇,相干瞬态量子光子学基本知识,量子光学基本知识,光与物质相互作用的理论介绍：,经典理论：光场用经典光波，物质体系采用粒子数描述,半经典理论：光场用经典光波，物质体系采用量子力学描述,全量子理论：光场与物质体系均采用量子力学描述,激光与物质相互作用的基本方程,真空中的,Maxwell,方程组：,可以简化为：,或写为：,此为真空中的波动方程,表示式,平面波、慢变振幅与慢变位相近似,波动方程写作为：,介质中的,Maxwell,方程,物质方程：,常规波动方程：,慢变振幅、位相近似条件,下的波动方程：,线性谐振子模型,线性谐振子满足的运动方程,驱动电场：,运动方式：,稳态求解结果：,线性吸收与线性色散,虚部表示线性吸收,实部表示线性色散,线宽取决于线性谐振子的衰减系数：自发增宽，碰撞增宽，非均匀增宽等,原子体系的线,型展宽,均匀增宽（自然增宽与碰撞增宽）：,非均匀增宽（多普勒增宽与晶格场增宽）：,激光与二能级原子的相互作用,二能级原子近似：对于稀薄原子气体，或低温下的,半导体激子，如果激光与共振原子能级近似，则可,以采用二能级原子近似处理：,对极短脉冲或稠密原子能级体系，二能级近似不再有效。,程静,周建英：,Phys.Rev.,A(,Rapid Communication,2003,In press).,激光与物质相互作用的量子力学描述方法：,物质体系：量子力学波函数：,满足薛定谔方程：,几率函数：,本征态：,迭加态：,问题：波函数的相位的作用在那里？,真实原子体系：系综平均,真实原子体系涉及大量的原子，理论上也不可能求解出每个原子的波函数与力学量，只能采用统计平均的求解方法。,或写为：,真实,原子体系是多个原子的统计平均,问题转化为：不用也不可能求出每个原子的波函数分布，仅需求出波函数的系数分布特性,量子系统描述方法：密度矩阵,或写为：,密度矩阵满足刘维方程：,密度矩阵具体求解方法：,密度矩阵定义：,密度矩阵的意义,对于二能级原子体系：,偶极子的平均值为：,密度矩阵的非对角元与电极化强度成正比,密度矩阵元的驰豫,统计平均导致了不同的驰豫过程,对角元的驰豫：,非对角元的驰豫：,对角元的驰豫采用激发态寿命的测量方法：,光电管，条纹机或上转换光谱学方法,非对角元的弛豫采用相干光谱的测量方法：,自由感应衰减，相关测量技术，光子回波等,密度矩阵方程与布洛赫矢量描述,定义布洛赫矢量：,布洛赫方程：,布洛赫方程与麦克斯韦方程：,量子光学的核心,相干瞬态过程研究的是脉冲宽度远小于,的变化行为。,在慢变振幅与位相近似条件下可以容易求出电场在非线性介质中的变化规律。,上式是无相互作用气体中相干瞬态光学满足的方程组。实际体系还需考虑原子间的相互作用，局域场的影响等。,程静，周建英，,Phys.Rev.E66,036606,(2002).,拉比反转,Zrenner,et al,Nature,414,612(2001).,A.,Schulzgen,et al,PRL,82,2346(1999).,自由感应衰减,测量均匀增宽体系相干态退相时间的方法：,罗琦等,JCP,114,1870(2001);,余向阳等，,APL,73,3321(1998),自感应透明,在一定的入射激光脉冲面积下，共振介质中存在有孤子解：,Two soliton pulses,one,Positive amplitude and,One negative,propagating,Through a resonant medium,S.L.,MaCall,et al,PRL,18,908(1967).,2.H.,Giessen,et al,PRL,81,4260(1998).,3,王干全等，,in preparation,“,光子冲击波”。,光子回波,在非均匀增宽介质中的特殊行为：,t1:the 1,st,pulse,t2,the 2,nd,pulse,t3:the echo,电磁感应透明,光子与极化子的传输,产生电磁感应透明的原子体系,电磁感应透明导致的光学新发展,光子的减速与静止,光子的放大,光子阻塞与量子开关,短波激光器,弱场非线性光学,光通讯中的全光开关与全光信号处理,.,无反转放大与无反转激光,目的：使光子信号得到足够的增益与放大,Laser without inversion(LWI)is a natural extension of the EIT.A little bit of the population in level e is sufficient to provide a gain for the probe pulses.,吉林大学高锦岳教授领导的小组在这一课题上做出了优秀的工作。,光子放大的其他方法：,1.Stark effect;2.inversion system;3.parametric amplification;4.,polariton,parametric amplification,etc.,M.Saba et al,nature,414,731(2001).,