光量子学基础
物理 量子光学基础
例 2
电视机显象管中的电子加速电压为 9KV，电子枪直径 ， 计算： 为 0.1mm 。 计算：电子出枪后的横向速度 ? 解：
1 2 eU = m eυ U = 9 × 10 3 V 2
2 eU 7 = 5 .6 × 10 m / s me
e = 1 . 6 × 10 19 C m e = 9 . 1 × 10 31 Kg
r v e
hν = En EK
或
1 ν = (En EK ) h
r
Ze
（3）轨道角动量量子化假设 ）
约化普朗克常数
h L = mvr= n = nh n = 1, 2 , 3 , L , 2π
1
2. 玻尔的氢原子理论
氢 原 子
rn = n r 1 E1 En = 2 n E = E∞ En
2
1 2 E K = m0υ = eU 2
h 1 . 22 nm = 2 m 0 eU U
P = m0υ = 2 m0 E K = 2 m0 eU
h λ= = p
由晶体衍射的布喇格公式： 由晶体衍射的布喇格公式：
δ = 2d sin = kλ k = 1 ,2 ,3 ,....
U ↑→ λ ↓
衍射光强度极大
x
λ
= A cos 2π (νt
x
λ
) iA sin 2π (νt
x
λ
)
18
实部和虚部各为一波动方程
对一维自由运动的粒子， 和动量P为常量 对一维自由运动的粒子，能量 E和动量 为常量 和动量
E = hν h P = λ
h λ= p E ν= h
对应的物质波 为平面单色波
ψ 一维自由粒子的波函数： 一维自由粒子的波函数： ( x, t ) = ψ 0e
量子力学中的量子光学
量子力学中的量子光学引言:量子光学是研究光与物质相互作用时所涉及到的量子效应的一门学科。
它是量子力学和光学的交叉领域，旨在研究和利用光与物质之间微观量子相互作用的基本规律。
本文将对量子光学的基本概念、主要理论模型以及应用领域进行探讨。
一、光的量子性光的量子性是指光在传播过程中表现出的粒子特性。
在经典物理学中，光被认为是一种电磁波，具有波动特性。
然而，根据爱因斯坦提出的光电效应理论以及普朗克的能量量子化假设，我们知道光也具有粒子性。
量子光学的基础是光的量子化，即将光的能量分解成一系列能量量子，每个能量量子被称为光子。
光子是光的基本粒子，具有能量和动量。
根据光的量子化理论，光的能量由光频以及普朗克常量决定。
二、光与物质的相互作用量子光学研究了光与物质之间微观量子相互作用的规律。
在物质中，光与原子、分子等微观粒子发生相互作用，产生吸收、发射、散射等过程。
这些相互作用是由光子与物质之间的相互作用引起的。
1.束缚态系统中的光与物质相互作用束缚态系统是指原子、分子等在某种势场中形成的稳定态。
在束缚态系统中，光与物质的相互作用主要通过能级之间的跃迁来实现。
当光照射到束缚态系统时，光子与物质之间的相互作用将导致能级的改变。
这一过程可通过光的吸收和发射来描述。
2.连续态系统中的光与物质相互作用连续态系统是指大量粒子构成的系统，如固体、液体和气体。
在连续态系统中，光与物质的相互作用主要通过散射过程来实现。
散射过程涉及到光与粒子之间的相互作用，其中包括散射角、散射截面等参数。
三、主要理论模型量子光学研究光与物质的相互作用，其中有几个主要的理论模型。
1.松原方程松原方程是描述光与物质相互作用的基本方程之一。
它是由松原在20世纪40年代提出的，在量子光学中具有重要的地位。
该方程描述了光波通过线性吸收介质传播的行为，其中包括折射、散射和吸收等过程。
2.光与原子相互作用的量子力学模型该模型主要用于描述光与单个原子的相互作用。
第21章_量子光学基础
例4：以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其 光电流曲线在图中用实线表示。⑴ 保持照射光的强度 不变，增大频率；测出其光电流曲线在图中用虚线表示。 满足题意的图，是_______。
I
o (A) U
I
o (B) U
I
o (C) U
I
o (D) U
⑵ 保持照射光的频率不变，增大强度。测出其光电流曲 线在图中用虚线表示。满足题意的图，是_______。
瑞利—金斯公式
实验曲线和普朗克公式
6 5 4 3 2 1 0
1 2 3
T=2000K
维恩公式
10-14Hz
由经典理论导出的 M (T)～ 公式都与实验曲线不 完全符合！
这正所谓是“ 物理学晴朗天空中的一朵乌云!”
四.普朗克的量子论的诞生 1900年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相 一致的公式，摒弃了经典物理能量连续概念，提出了 一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假设. 他指出 ：辐射物质中存在着带电谐振子，这些谐振 子吸收或辐射的能量是间断的不连续的，辐射“能量子 ”的能量
实验曲线
维恩公式
维恩公式在高频段与实 验曲线符合得很好， 但在低频段明显偏离 实验曲线。
10-14Hz
▲
著名公式之二： 瑞利 —金斯公式
1900年瑞利和金斯从经典电动力学和 统计物理学理论（能量均分）推导得:
2 2 M (T ) 2 kT c k 1.380658 1023 J K 1
I
O U
I
O (B) U
I
O (C) U
I
O (D) U
(A)
例5：关于光电效应有下列说法中正确的是________。 (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。
量子力学基础 知识点
量子物理知识点小结一、普朗克能量子假说1、黑体辐射的实验定律2、普朗克能量子假说2)维恩位移定律：T λm = b1)斯特藩-玻耳兹曼定律： M (T ) = σT 4对频率为ν 的谐振子, 最小能量 ε 为: ⋅⋅⋅⋅⋅⋅,,,3,2,εεεεn νh =ε谐振子的能量不能取任意值，只能是某一最小能量ε 的整数倍，二、爱因斯坦光量子假说1、光量子假说 W m h νm+=221v 2、光电效应方程： 光具有“波粒二象性”光子的动量： λhp =光子的能量： h ν=ε碰撞过程中能量守恒： 2200mc h νc m h ν+=+v m e h e h n +=λλ00碰撞过程中动量守恒：波长的偏移量:)cos 1(0θλλλλ-=-=∆c nm 00243.0m 10432120=⨯⋅≈=-cm h c λ康普顿波长: 三、康普顿效应（X 射线光子与自由电子碰撞）四、玻尔氢原子理论一切实物粒子都具有波粒二象性 2)角动量量子化条件假设； 1)定态假设； 3)频率条件假设h νmc E ==2λh m p ==v ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧≥∆⋅∆≥∆⋅∆≥∆⋅∆222 z y x p z p y p x 2≥∆⋅∆t Ε五、德布罗意假说六、不确定性关系：七、波函数2、波函数满足的条件1、波函数的统计意义1)归一化条件t 时刻，粒子在空间r 处的单位体积中出现的概率， 与波函数模的平方成正比。
*2),(ΨΨt r ΨdVdW w === 概率密度： 12=⎰⎰⎰dV Ψ粒子在整个空间出现的总概率等于 1 , 即： 2)标准化条件：单值、连续、有限一维情况： 1)(2=⎰+∞∞-dx x Ψ八、定态薛定谔方程1、定态：若粒子的势能 E P (x ) 与 t 无关，仅是坐标的函数， 微观粒子在各处出现的概率与时间无关2、一维定态薛定谔方程： 0)()()(=-+x E E 2m dx x d P 222ψψ九、氢原子,3,2,1,1)8(22204=⋅-=n nh me E n ε1、能量量子化和主量子数n 2、角动量量子化和角量子数l)1(2)1(+=+=l l h l l L π1,,3,2,1,0-=n l 3、角动量空间量子化和磁量子数m ll m m L l l z ±±±==,,2,1,0, 4、自旋角动量和自旋量子数 21,)1(=+=s s s S 21,±==s s z m m S十、原子的电子壳层结构1、原子中电子状态由四个量子数(n 、l 、m l 、 m s )决定用 K , L , M , N , O , P , …. 表示 2、原子的壳层结构主量子数 n 相同的电子属于同一壳层壳层n = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , …. 同一壳层中( n 相同)，l 相同的电子组成同一分壳层 支壳层 用 s , p , d , f , … , 表示l = 0， 1 , 2 , 3 , … , n －13、原子的壳层结构中电子的填充原则1) 泡利不相容原理2) 能量最小原理。
量子光学基础
量子光学基础量子光学是研究光与物质相互作用的量子性质的一门学科。
它的发展源于量子力学的兴起，通过量子力学的理论和方法，揭示了光与物质相互作用的微观机制。
量子光学的研究内容包括光的量子特性、光的经典与量子的转换、光与原子、分子和固体之间的相互作用等。
量子光学的研究对象是光子，光子是光的基本单位，也是光的量子。
光子具有波粒二象性，既可以当作波动来描述，也可以当作粒子来描述。
在量子光学中，我们通常用光的频率和波矢来描述光子的特性。
光的频率决定了光的能量，而波矢则决定了光的动量。
量子光学的一个重要研究内容是光的量子特性。
光的量子特性体现在光的产生、传播和检测过程中。
光的产生过程中，光可以通过光的辐射和受激辐射两种方式产生。
光的辐射是指原子或分子自发地发射出光子，而受激辐射是指原子或分子在外界光的作用下发射出光子。
光的传播过程中，光可以表现出干涉和衍射等波动特性，也可以表现出光子统计的特性，如光的强度和光子数的涨落。
光的检测过程中，我们通常使用光电倍增管等光子探测器来探测光子的存在。
光与原子、分子和固体之间的相互作用是量子光学的另一个重要研究内容。
在光与原子的相互作用中，光可以激发原子中的电子跃迁，产生吸收和发射光的现象。
这些现象可用于原子光谱学的研究，可以帮助我们了解原子的能级结构和原子的性质。
在光与分子的相互作用中，光可以激发分子中的振动和转动，产生拉曼散射和红外吸收等现象。
这些现象可用于分析物质的化学成分和结构。
在光与固体的相互作用中，光可以激发固体中的电子和声子，产生各种电磁和声学效应。
这些效应可用于固体物理学和材料科学的研究。
量子光学的研究不仅在基础科学领域有重要意义，也在应用领域有广泛的应用。
在基础科学领域，量子光学的研究有助于揭示光与物质相互作用的微观机制，深化我们对自然界的认识。
在应用领域，量子光学的研究有助于开发新型光学设备和技术。
例如，量子光学的研究为量子计算、量子通信和量子测量等领域提供了理论基础和实验方法。
物理化学-量子力学基础
04 量子力学的应用
量子计算
量子计算
量子计算机
利用量子力学原理进行计算，具有经典计 算无法比拟的优势，如加速某些算法、实 现更高级别的加密等。
利用量子比特作为计算基本单位，能够实 现并行计算，大大提高计算效率。
量子算法
量子纠错码
基于量子力学原理设计的算法，如Shor算 法、Grover算法等，能够解决经典计算机 无法有效解决的问题。
不确定性原理
总结词
指在量子力学中，无法同时精确测量某些对立的物理量，如位置和动量、时间和能量等。
详细描述
不确定性原理是量子力学中的重要原理之一，它表明微观粒子的某些物理量无法同时被精确测量。这是因为测量 一个物理量可能会对另一个物理量产生干扰，从而影响其测量精度。这一原理限制了人们获取微观粒子精确信息 的可能性。
量子态和叠加态
总结词
量子态是指微观粒子所处的状态，可以 用波函数来描述；叠加态是指一个量子 系统可以同时处于多个状态的叠加。
VS
详细描述
在量子力学中，微观粒子的状态由波函数 来描述。波函数是一个复数函数，其模方 的物理意义是粒子处于某个状态的概率幅 。当一个量子系统可以同时处于多个状态 时，这些状态被称为叠加态。叠加态是量 子力学中的基本概念之一，它解释了微观 粒子的一些奇特性质，如干涉和纠缠等。
利用量子力学原理设计的错误纠正码，能 够提高量子计算机的稳定性。
量子通信
01
02
03
04
量子密钥分发
利用量子力学原理实现密钥分 发，能够保证通信的安全性。
量子隐形传态
利用量子纠缠实现信息传输， 能够实现无损、无延迟的通信
。
量子雷达
利用量子力学原理实现探测， 能够探测到传统雷达无法探测
大学物理：第 21 章 量子光学基础分解
2π h M 0 ( , T ) 2 h c e kT 1
2
黑体热辐射的理论与实验结果的比较
维恩公式在低频段， 偏离实验曲线！ 瑞利—金斯公式在 高频段 ( 紫外区 ) 与 实验明显不符， 短 波极限为无限大— “紫外灾难”！
在全波段与实验结果 惊人符合！
END
§21.2 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式
E ( , T ) 入 射 E
吸收
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，例下图为黑白花盘子的反射和自身 辐射照片
室温下的反射光照片
1100K的自身辐射光照片
图片说明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
M 0 ( , T )
2πc
2
h e
hc kT
5
1
普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858―1947) 德 国 物 理学家，量子物理学的开创者 和奠基人， 1918 年诺贝尔物理 学奖金的获得者。
END
§21.3 光的粒子性
一、 光电效应的实验规律
1. 光电效应 光照射在金属及其化合物 的表面上发射电子的现象 称 为 光 电 效 应 (photoelectric effect)。 (1) 实验装置-光电管 在阴极金属表面逸出 的电子称为光电子 (photoelectron), 电路中出现的电流形成 光电流 (photocurrent)
M (T ) T
4
=5.67×10- 8 W/（m2K4）—— Stefen 恒量
2. 维恩位移定律（W. Wien） 黑体辐射中单色辐出度的极值 波长m与黑体温度T 之积为常 数
光量子即光子量子力学知识点
E*dv表示在频率范围（v,v+dv）中的黑体辐射能量密度。
λ—辐射波长(μm)T—黑体绝对温度(K、T=t+273k)C—光速(2.998×10^8m·s )h—普朗克常数，6.626×10^-34 J·SK—玻尔兹曼常数(Boltzmann)，1.3806505*10^-23J/K基本物理常数光量子即光子。
能量的传递不是连续的，而是以一个一个的能量单位传递的。
这种最小能量单位被称作能量子（简称量子）。
原始称呼是光量子（light quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。
其静止质量为零，不带电荷，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，E=hv，在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。
光子是光线中携带能量的粒子。
一个光子能量的多少正比于光波的频率大小，频率越高, 能量越高。
当一个光子被原子吸收时，就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。
光子具有能量，也具有动量，更具有质量，按照质能方程，E=MC^2=hν，求出M=hν/C^2,光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量。
光就既具有波动性（电磁波），也具有粒子性（光子），即具有波粒二象性玻色子是依随玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。
玻色子不遵守泡利不相容原理，在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。
玻色子包括：.胶子-强相互作用的媒介粒子，它们具有整数自旋（0，1，……），它们的能量状态只能取不连续的量子态，但允许多个玻色子占有同一种状态。
，有8种；光子-电磁相互作用的媒介粒子，这些基本粒子在宇宙中的“用途”是构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子（光子、介子、胶子、w和z玻色子）。
在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。
如光子、粒子、氢原子等，Bose-Einstein condensation (BEC) 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。
爱因斯坦光量子假说的基本内容
爱因斯坦光量子假说的基本内容一、引言爱因斯坦光量子假说是指物理学家爱因斯坦于1905年提出的关于光的微粒性质的假设。
该假说对于解释光的发射和吸收过程，以及光的粒子性质具有重要意义。
本文将介绍爱因斯坦光量子假说的基本内容。
二、光的粒子性质爱因斯坦提出的光量子假说认为，光以离散的能量粒子形式存在，这些粒子被称为“光量子”或“光子”。
光子的能量由公式E=hf给出，其中h是普朗克常数，f是光的频率。
这意味着光的能量是量子化的，而不是连续的。
三、光的发射和吸收根据爱因斯坦的光量子假说，光的发射和吸收过程可以用光子的概念来解释。
当原子或分子从一个能级跃迁到另一个能级时，会发射或吸收光子。
发射光子时，能级差就等于光子的能量。
而吸收光子时，光子的能量被吸收物体所吸收。
这一观点对于解释电磁辐射和能级跃迁过程具有非常重要的意义。
四、光的波粒二象性光既可以作为波动现象解释，也可以作为粒子现象解释，这是光的波粒二象性。
爱因斯坦的光量子假说揭示了光的粒子性质，补充了电磁波的波动理论。
这一假说对量子力学的发展产生了深远的影响，并为更多微观粒子的波粒二象性研究奠定了基础。
五、光量子假说的应用爱因斯坦的光量子假说在许多领域有广泛的应用。
其中一个重要应用是在激光技术中。
激光是由射出的光子所组成的，光子的特性决定了激光的一些独特性质。
另外，光量子假说也对光电效应的解释提供了重要基础，后来为量子力学的建立做出了重要贡献。
六、总结爱因斯坦光量子假说认为光以离散能量粒子光子的形式存在，且光的发射和吸收过程可以用光子的概念来解释。
这一假说揭示了光的波粒二象性，为量子力学的发展奠定了基础。
光量子假说在激光技术和光电效应等领域有重要应用。
通过对爱因斯坦光量子假说的研究，我们对光的微粒性质有更深入的了解。
物理学中的光量子理论
物理学中的光量子理论光量子理论是物理学中的一个重要分支，它研究的是微观粒子——光子的性质和行为。
光量子理论是量子力学的一部分，它的基本假设是光是由光子组成的，这些光子具有粒子性质和波动性质，并且遵循量子力学的规律。
1. 光子的特性光子是一种量子物质，它具有粒子和波动的性质。
与其他粒子相比，光子的自由度很小，它只具有能量和动量两个自由度。
光子的能量和频率成正比，这就是著名的普朗克定律。
而光子的动量是由它的频率和波长来确定的，即动量等于光子的能量除以光速。
光子的波动性质表现在电磁波的传播上。
根据波动光学的理论，光线在传播中会经历折射、反射和衍射等现象。
而根据光量子理论，这些现象是由光子的波动性质引起的。
2. 光子的粒子性质光子不仅具有波动性质，还具有粒子性质。
这一点最早是由爱因斯坦在解释光电效应时提出的。
光电效应是指在光照射金属表面时，会使金属中的电子被激发，从而形成电流。
爱因斯坦解释了光电效应的实验结果，他认为光子具有粒子性质，而光电效应是由光子与金属中的电子相互作用而引起的。
这个观点后来被证实是正确的，而且在量子力学的框架下进一步发展和完善。
3. 光子的量子力学描述光子的量子力学描述涉及到波函数、哈密顿量和幺正变换等概念。
在光量子理论中，光子的波函数描述了它的运动状态和能量，哈密顿量描述了它的能量和动量，而幺正变换描述了它的相对运动状态。
通过这些量子力学的概念，能够对光子的行为做出精确的预测和解释。
例如，我们能够用量子力学的方法计算出光子的发射和吸收过程、光子与物质相互作用时的能量传递和转换过程等。
4. 应用和未来发展光子作为微观粒子，不仅具有粒子和波动的性质，而且具有许多特殊的物理性质，例如自旋和偏振等。
由于这些特殊性质，光子在许多领域都有广泛的应用，例如通信、激光技术、太阳能电池等。
在未来，光量子理论仍将是物理学研究的重点之一，其发展方向包括量子信息、量子计算、量子通信等。
光子的特殊性质将为这些领域的发展提供基础和支持。
光量子 量子
光量子量子光量子和量子是当今物理学中的两个重要概念，它们在不同领域的研究中发挥着重要作用。
光量子是指光子在量子力学中的行为和性质，而量子则是指微观粒子的量子性质。
本文将从理论和应用两个方面介绍光量子和量子的相关知识。
一、光量子的理论基础光量子的理论基础是量子力学，它描述了光子在微观尺度上的行为。
根据量子力学的原理，光子具有波粒二象性，既可以被看作是粒子，也可以被看作是波动。
光量子的能量与频率成正比，即E=hf，其中E为光子的能量，h为普朗克常数，f为光子的频率。
二、光量子的特性光量子具有以下几个重要特性：1. 光量子的能量是离散的，即只能取一定的能量值，而不是连续变化的。
2. 光量子的能量与频率成正比，频率越高，能量越大。
3. 光量子的传播速度是光速，即光量子在真空中的传播速度约为3×10^8米/秒。
4. 光量子的自旋为1，它在空间中的方向性质与电子的自旋相似，但光子没有电荷。
三、量子的基本概念量子是指微观粒子在量子力学中的基本单位，它具有离散的能量和动量。
量子的存在形式包括粒子和波动，它们可以相互转化。
量子力学的基本假设是粒子的能量是量子化的，即只能取一定的能量值。
量子力学中的一个重要概念是波函数，它描述了粒子的运动状态和性质。
四、光量子的应用光量子在许多领域都有重要的应用，以下是其中几个典型的应用：1. 光通信：光量子在光纤通信中起着至关重要的作用。
利用光量子的波粒二象性，可以实现光的传输和控制，提高通信速度和带宽。
2. 光电子学：光量子的能量可以被光电材料吸收并转化为电能，用于光电器件的制造，例如太阳能电池和光电二极管。
3. 光子学：光量子可以被用作信息的传输和处理媒介，通过光量子的相互作用实现光学计算和量子计算。
4. 光谱学：光量子在光谱学中用于分析物质的组成和结构，通过测量光量子的能量和频率，可以得到物质的光谱特征。
5. 光医学：光量子在医学中有广泛的应用，例如激光治疗、光动力疗法和光学成像等，可用于癌症治疗、眼科手术和皮肤美容等领域。
量子光学知识点总结
量子光学知识点总结一、光的基本性质光是一种电磁波，也可以被看作是一种粒子，光子。
在经典光学中，光可以用波动方程来描述，而在量子光学中，光的性质可以用量子理论来解释。
光的基本性质包括：1. 光的量子特性根据量子理论的描述，光可以被看作是一种由光子组成的粒子。
每个光子具有一定的能量和动量，其能量与频率成正比，动量与波长成反比。
光的能量E和频率v之间的关系由普朗克公式E=hv给出，其中h为普朗克常数。
2. 光的波粒二象性光既可以表现出波动性，也可以表现出粒子性。
这就是光的波粒二象性。
在量子光学中，人们可以利用波动方程和光子的概念来解释光的波动性和粒子性。
这一性质常常可以用来解释光的干涉、衍射和光电效应等现象。
二、光场的量子描述在量子光学中，人们通常用量子态和密度算符来描述光场的量子性质。
光场的量子态可以用准确的数学表达式来描述，其中包括了光子的粒子性和光的波动性。
光场的量子态的基本特性包括：1. 光场的量子态在量子光学中，人们通常用Fock态来描述光场的量子态，Fock态可以用来表示不同光子数的态。
例如，n个光子的Fock态可以表示为|n⟩。
光场的量子态还可以用相干态来描述，相干态是一种特殊的量子态，它具有明显的波动性和相干性。
2. 光场的密度算符在量子光学中，人们通常利用密度算符来描述光场的统计性质。
光场的密度算符可以用来描述不同光子数状态的统计分布，以及不同光子数态之间的相干性质。
光场的密度算符还可以用来描述光场的量子纠缠性质。
三、光场与物质的相互作用在实际的光学系统中，光场经常与物质相互作用，产生各种光谱现象和光学效应。
在量子光学中，人们研究了光场与不同类型的物质之间的相互作用规律，包括原子、分子、准粒子等。
光场与物质的相互作用包括：1. 原子的光谱原子在外加光场的作用下，会发生能级跃迁，从而产生吸收、发射光子的现象。
在量子光学中，人们研究了原子的光谱性质，包括原子吸收、发射光子的发射，原子的谐振腔增强等。
物理学概念知识：量子和光学
物理学概念知识：量子和光学量子和光学量子力学是现代物理学中最重要的分支之一。
它涉及了对物质和能量的非经典的描述和理解。
光学学科是研究光的传播、反射和折射、干涉、衍射、吸收和发射等现象的科学。
量子力学和光学的关系在科学研究中有着极其重要的地位。
这篇文章将介绍量子和光学的基本概念知识，强调两者之间相互关联的特点。
量子是描述物理系统和现象中的最小基本单位。
在量子力学中，微观体系中的能量和物质被描述为离散的量子，而不是连续的经典信息。
这意味着，量子力学充分地展示出了量子的波粒二象性，同时也说明了量子之间的量子纠缠和微观的不确定性原理的存在。
光子是一种光的量子，它们是电磁波的基本单位。
光子表现出粒子状和波状的特性，同时它也遵循量子机制下的不确定规则。
在光学中，光可以被描述为电场和磁场的电磁波，展现出相位和振幅特性。
相位是光场中的波动量，而振幅是振荡波的强度。
光传播的速度是一个物理常数，称为真空中的光速。
当光穿过物质时，它的速度会发生变化，基于物质的折射率和散射特性。
此外，光还表现出家族本质，这意味着光的不同波长决定了它的颜色，从紫七色到红七色都包含在内。
物理学家们已经对量子和光学的基础理论有了很好地掌握，这为他们研究量子光学的新领域提供了机会。
还有一个领域是光量子计算，这种新型电子学和光学学科可用于实现超快速加密和解密。
理论物理学家们预测，量子计算机有可能让我们在未来极为复杂和细致的计算问题上拥有创造性的解决方案。
在量子光学模型中，光可以被描述为一系列的光子或量子。
对真空下的单光子行为的研究叫做二次量子化的光学。
这项新颖的技术已经被应用到许多新型的科技开发项目上，例如量子加密、单量子的量子态制备和检测。
光子可以被赋以一定的量子态，例如极化态、量子截面态、脉冲、纠缠态等。
量子纠缠态特别值得关注，因为它代表了两个量子之间的基本相互关系。
当两个互相处于纠缠态的量子受到干涉时，光子之间可以表现出奇妙的量子纠缠现象。
光量子的形成
光量子的形成光量子是什么是量子是伟大的科学家爱因斯坦留下的遗憾之一，下面我谈一下光量子是什么量子，它是如何形成的。
一、理论基础自然界存在的基本粒子（量子）只有两种：超光速量子和光量子。
我的这一提法被美国物理学会2013年三月、四月会议同时录用，链接地址：/Meeting/APR13/Event/192510、/Meeting/MAR13/Event/187526，三月、四月会议是美国物理学会最重要的两次会议。
具体内容慨括如下：最基本的量子（也可以说基本粒子）是相互绕转的粒子对，粒子对相互绕转的速度相当于量子理论量子的群速度，相互绕转的粒子对的整体运动速度相当于量子理论量子的相速度。
群速度是量子是收敛还是发散的主要原因，量子收敛还是发散主要是量子——相互绕转的粒子对的绕转速度（即群速度）大小的变化。
基本量子（基本粒子）的群速度和相速度的和等于光量子的速度时，则量子以光量子的形式发散到外部空间，否则量子收敛在原子、分子的内部组成“实体物质”。
下面描述提到的速度都指量子的群速度与相速度绝对值的和。
构成物质世界的两种基本粒子：超光速粒子和光速粒子。
●基本粒子的速度是质量的量度，质量主要来源于基本量子内部相互绕转的速度，内部绕转速度变小、质量变小，便辐射到外部空间。
因此辐射到外部空间的基本量子（理子）通常被认为没有质量●超光速粒子由于绕转速度大、质量大、引力强收敛为原子、分子、中子等组成“实体”物质●光粒子是由于绕转速度小、质量小、引力弱发射到外部空间，即超光速粒子能转化为光粒子●由于超光速粒子收敛在原子、分子的内部，因此我们很难观察到超光速●原子、分子内部都是超光速粒子●微观粒子之间的引力大于静电力，关于这一推断，我在《青年科学》2010年4月上半月发表的密度引力定律，详细论述了密度和引力的关系，成功地解释了原子核的组成——多个质子、中子能存在一起组成原子核●粒子对通过自相互作用（主要是粒子对内相互绕转）而获得质量得出结论：1、现在的质量的测定是基于超光速机制下测定的，超光速机制下测定物质的质量是物质质量（物体速度的变化引起质量变化）具有相对性的根本原因。
普朗克光量子假说的基本内容
量子假说普朗克最大贡献是在1900年提出了能量量子化，其主要内容是：黑体是由以不同频率作简谐振动的振子组成的，其中电磁波的吸收和发射不是连续的，而是以一种最小的能量单位ε=hν，为最基本单位而变化着的，理论计算结果才能跟实验事实相符，这样的一份能量ε，叫作能量子。
其中v是辐射电磁波的频率，h=6.62559*10^-34Js，即普朗克常数。
也就是说，振子的每一个可能的状态以及各个可能状态之间的能量差必定是hv的整数倍。
受他的启发，爱因斯坦于1905年提出，在空间传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光量子，简称光子，光子的能量E跟光的频率v成正比，即E=hv。
这个学说以后就叫光量子假说。
光子说还认为每一个光子的能量只决定于光子的频率，例如蓝光的频率比红光高，所以蓝光的光子的能量比红光子的能量大，同样颜色的光，强弱的不同则反映了单位时间内射到单位面积的光子数的多少。
普朗克黑体辐射定律：大约是在1894年，普朗克开始把心力全部放在研究黑体辐射的问题上，他曾经委托过电力公司制造能消耗最少能量，但能产生最多光能的灯泡，这一问题也曾在1859年被基尔霍夫所提出：黑体在热力学平衡下的电磁辐射功率与辐射频率和黑体温度的关系。
帝国物理技术学院（Physikalisch-Technischer Reichsanstalt）对这个问题进行了实验研究，但是经典物理学的瑞利-金斯公式无法解释高频率下的测量结果，但这定律却也创造了日后的紫外灾难，威廉·维恩给出了维恩位移定律，可以正确反映高频率下的结果，但却又无法符合低频率下的结果。
这些定律之所以能发起有一小部分是普朗克的贡献，但大多数的教科书却都没有提到他。
普朗克在1899年就率先提出解决此问题的方法，叫做“基础无序原理”（principle of elementary disorder），并把瑞利-金斯定律和维恩位移定律这两条定律使用一种熵列式进行内插，由此发现了普朗克辐射定律，可以很好地描述测量结果，不久后，人们发现他的这项新理论是没有实验证据的，这也让普朗克他在当时感到稍稍的无奈。
量子光学的基本原理和应用
量子光学的基本原理和应用据估计，人类已经使用光学方法进行信息传输和存储等任务已经有数千年的时间。
在不断发展的技术环境下，量子光学技术逐渐崛起。
量子光学是一门基于量子力学理论的研究光的性质与行为的学科。
与经典光学不同，量子光学不再将光看作一种经典的电磁波，而是将其看作由许多离散粒子——光子组成的体系。
因此，在量子光学领域中，我们需要制定符合量子力学的规则和方法来描述这种光子体系的运动和相互作用。
一、量子光学的基本原理1. 光子理论光子是一种拥有能量和动量，但没有质量的粒子。
光子的产生是由原子、分子、原子中的电子跃迁、自发发射等过程所引起的。
从电磁学的角度来看，光子是一个电磁波，但其频率是确定的，无论在什么时间和空间位置上都是相同的。
因此，光子存在波粒二象性。
2. 相干性在量子光学中，相干性是指两个光子之间存在着特定的相位关系，因此可以互相干扰。
相干性不仅是光的基本特性之一，也是光学实验的重要基础。
3. 光的量子化光是由许多离散的光子组成的。
每个光子都有一个确定的能量和动量，这个能量和动量是由其频率和波长来决定的。
当光的能量足够大时，它可以将电子从原子中释放出来，这就是光电效应。
在光电效应实验中，实验人员通过改变光子的能量和波长来研究其对电子的影响。
二、量子光学的应用1. 量子计算量子计算是利用量子力学中的“纠缠态”来计算。
这种计算方式可以在一定程度上解决经典计算所遇到的难题，如大规模因式分解和组合优化问题等。
2. 量子通信量子通信是利用量子力学的“纠缠态”来传输信息的方式。
在传统的通信中，数据被转换成数字信号传输。
在量子通信中，信息被转化为光子的“纠缠态”，实现了神秘的“瞬时通信”。
3. 量子密码学量子密码学是利用量子力学的不确定性来保护信息安全的技术。
在传统的密码学中，数据被加密，并通过网络传输。
在量子密码学中，密码被保护在离散的光子“纠缠态”中，这是因为量子状态的观测会导致该状态的破坏。
因此，基于量子力学的密码学是一种非常保密和安全的方式。
量子光学基础优秀课件
本章主要讲解五个方面问题： 1）黑体辐射的实验规律 2）普朗克能量子假设 3）光电效应与爱因斯坦光子理论 4）康普顿效应 5）光的波粒二象性
黑体辐射的实验规律
1、热辐射
在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式 向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内 辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决
普朗克于1858年4月23日出生于德国基尔 。从小就在音乐、文学及数学等方面显露了 才华，但最终选择了科学。 1877年在柏林 大学获得博士学位，先后在多座大学任教。 1889年接替导师基尔霍夫继任柏林大学科学 讲座教授，直到1926年退休。
1900年12月14日他在德国物理学会上，宣读了以 《关于正常光谱中能量分布定律的理论》为题的论文， 提出了能量的量子化假设，并导出黑体辐射能量的分 布公式。劳厄称这一天是“量子论的诞生日”。
1由维恩位,移 得公 T式 bm24.89901810093 5.9103 K
2MTT4 5.6 71 08(5.91 03)4 6.91 07Wm2
本章主要讲解五个方面问题： 1）黑体辐射的实验规律 2）普朗克能量子假设 3）光电效应与爱因斯坦光子理论 4）康普顿效应 5）光的波粒二象性
普朗克能量子假设
与实验符合
维恩公式 (1896年)
短波范围与实验符合，而 在长波范围内不符合
试验,起初是半经验的,即利用内插法将适用于短 波的维恩公式和适用于长波的瑞利—金斯公式衔接起来,在得 到了公式后,普朗克才设法从理论上去论证它。
MB
MB(T)15 eh 2πckhT 2c1
维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应 用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础 。
T m bb 2 .8 9 1 3 m 8 0 K
光电效应 电流方向
光电效应：电流方向导言光电效应是指当光照射到金属或半导体上时，会引起材料中的电子从束缚态跃迁到导带态，并形成电流。
光电效应是量子物理学的重要实验现象，也是现代光电子学和光量子学的基础。
本文将深入探讨光电效应的电流方向及其影响因素。
光电效应的电流方向光电效应产生的电流可以是正电流或负电流，具体取决于光照射的性质以及金属或半导体的特性。
下面将分别讨论正电流和负电流的情况。
正电流当光照射到金属或半导体上时，如果光子能量高于材料的逸出功（也称为光电发射功函数），电子会从束缚态跃迁到导带态，并形成电流。
在这种情况下，光电流的方向与电子从材料中逸出的方向相反，即从金属或半导体的内部流向外部。
负电流当光照射到金属或半导体上时，如果光子能量低于材料的逸出功，即光子能量不足以使电子跃迁到导带态，不会发生光电效应。
此时，即使发送光照也不会引起电流的产生。
因此，负电流表示未发生光电效应的情况。
影响光电效应电流方向的因素光电效应的电流方向不仅仅取决于光照射的性质，也受到材料本身的特性及其他外界因素的影响。
以下是一些影响因素的详细讨论。
光照射的性质光照射的性质，如光强、波长和极化方向等，对光电效应的电流方向有重要影响。
在光照射强度足够大的情况下，光电流的强度与光照射强度成正比。
当光的波长小于材料的半导带带隙宽度时，光电效应更容易发生，因此，紫外线和更短波长的光对光电效应的产生更有效。
此外，光的极化方向也可以影响光电效应中的电流方向。
材料的性质不同材料的电子结构和能带结构对光电效应的电流方向有重要影响。
在金属中，电子处于自由电子状态，因此，当光照射到金属上时，电子可以容易地从束缚态跃迁到导带态，产生正电流。
相比之下，半导体中的电子受到束缚，光照射尽管有能使其跃迁到导带态的能量，但需要克服额外的能量提升，因此，光电流不如金属中的强。
外界电场外界电场的存在对光电效应的电流方向也有影响。
当外界电场与光电效应中的电场方向一致时，电子会更容易从束缚态跃迁到导带态。
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3. Quantum Delayed choice Experiment
Hong–Ou–Mandel effect
Two identical photons both hit the beam splitter at the same time.
Something to note
主要内容
0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 引言 什么是光子？ 光子及其干涉现象 相干态和压缩态 电磁诱导透明和无反转激光器 激光冷却 玻色-爱因斯坦凝聚
2. 光子及其干涉现象 （0）光的干涉—基本概念 （1）单光子干涉 （2）引力波探测
2. 光子及其干涉现象
（0）光的干涉 -- 基本概念
1. 2. 3. For an ideal beam splitter the transmitted and the reflected beam will always be 90 degrees out of phase. The beam splitter is 50% transmission and 50% reflection. One can just represent this by assuming a complex factor t for a transmission process and a complex amplitude i*r for a reflection process. The imaginary part ensures the 90 degree phase shift.
2. 光子及其干涉现象 光的干涉 （课堂讨论） ▪ 发生干涉所需的条件 ▪ 干涉的两束光之间有相互作用吗？
2. 光子及其干涉现象 光的干涉 -- 理论及应用 （1）单光子干涉 （基础理论问题） （2）引力波探测 （大科学工程应用）
2. 光子及其干涉现象
（1）单光子干涉
杨氏干涉
如果我们减弱光源的强度、或者减小狭缝的宽度 让光子一个一个地通过狭缝 还能出现干涉条纹吗？
光量子学基础
— 前沿简介
2013
主要内容
0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 引言 什么是光子？ 光子及其干涉现象 相干态和压缩态 电磁诱导透明和无反转激光器 激光冷却 玻色-爱因斯坦凝聚
0.引言
● 这门课有什么用？
光学工程
光量子学
物理学 微纳尺度 量子效应
光学工程的重要发展方向
Until its next revolution, much of the glory will be in engineering.
2. 光子及其干涉现象
问题讨论：
4. 光子的什么特性发生了干涉？
2. 光子及其干涉现象
Revisit 1 ： Einstein实验
■ 双缝干涉
2. 光子及其干涉现象
■ 双缝干涉
Revisit 2 ： J.A. Wheeler 延迟选择实验
无限大的干涉路径 （星系 -引力透镜狭缝）
2. 光子及其干涉现象
But nanotechnology, superconducting, biology, and quantum entanglement is thriving …
0.引言
纳米技术
Quantum Mechanics Quantum electrodynamics
Special&General Relativity
1927 Heisenberg
Uncertainty principle x•p h/4
1.什么是光子
关于光子 （课堂讨论） 以电子作为参考
电子 M = 9.1× 10 -31 kg e = 1.6 ×10 -19 C R (经典半径) ~ 10 -15 m Compton波长~ 10-12 m Fermion …
纳米技术Biblioteka Small is beautiful
SIA(Semiconductor Industry Association ) Roadmap Summary
尺寸 速度 集成度 容量 功耗
摘自 /
0.引言
● 这门课有什么用？
When you look at yourself from a universal standpoint, something inside always reminds or informs you that there are bigger and better things to worry about —— Albert Einstein
Classical Electrodynamics
(Maxwell’s Equations)
+
Quantum Mechanics
(Schrödinger Equation)
光量子学
0.引言
纳米技术
Video 1: Introduce nanotechnology
Adapted from J. Microelectromechan. S yst. 1, 60 (1992).
——Albert Einstein
1.什么是光子
OPN Trends – The Nature of Light: What is a Photon, Optics&Photonics News, 2003
光子概念的提出
1900 Planck E = hγ “quanta” 1905 Einstein Photoelectric Effect, Special relativity hγ = pc 1923 de Broglie “matter wave” λ= h/p 1926 Schrodinger H =E 1926 Born
决定于所处的环境
1.什么是光子
自旋 (Spin)
玻色子(Boson) /费米子(Fermion) Pauli不相容原理
1.什么是光子
可见度（Visibility）
颜色
1.什么是光子
相互作用 电子
1.什么是光子
相互作用 光子 （经典图像）
1.什么是光子
波动方程
1.什么是光子
本征态
?
什么是光子 光的什么特性发生了干涉
2. 光子及其干涉现象
问题讨论：
1. 观察者如何改变了光子的特性 (测不准关系)？
Schrodinger 猫
2. 光子及其干涉现象
问题讨论：
2. 减弱光源强度、减小狭缝宽度 一定能得到所需的单光子吗？
2. 光子及其干涉现象
问题讨论：
3. 光子的统计分布 能在某个确定的时刻得到所需的单光子吗？
2. 光子及其干涉现象 （1）单光子干涉
■ 双缝干涉 Video 2: Quantum Double Slit Experiment
2. 光子及其干涉现象
■ 双缝干涉
为什么光子一个一个通过狭缝时仍然出现干涉条纹？ “Each photon then interferes only with itself. Interference between two different photons never occurs.” ——P. A. M. Dirac
——Atomic —————— Mesoscopic —————— Macroscopic—— - - Nanoscale
e.g. Classical electrodynamics e.g. Near-field optics e.g. Geometric optics
Optical science & technology @ nanoscale
1.什么是光子
质量 (Mass)
速度、能量 波长
如何测量光子的质量？
1.什么是光子
大小 (Size)
相互作用范围
1.什么是光子
电荷 (Charge)
自能、相互作用
1.什么是光子
波长/频率 (Wavelength/Frequency)
波粒二像性
1.什么是光子
寿命 (Lifetime)
典型应用
1.什么是光子
The Nature of Light All these fifty years of conscious brooding have brought me no nearer to the answer to the question, “ What are light quanta ? ” Nowadays every Tom, Dick and Harry thinks he knows it, but he is mistaken.
Propagation wave ? Interaction photon ?
2. 光子及其干涉现象
■ 双光子干涉 双光子的产生 （ e.g., SPDC）
1. Hong–Ou–Mandel effect
1. Hong–Ou–Mandel effect 2. Single photon beamsplitter
■ 双缝干涉
Revisit 3 ： M.O. Scully 双光子实验
■ 双光子
SPDC
(Spontaneous parametric down-conversion)
I-type SPDC
II-type SPDC
2. 光子及其干涉现象
■ 双光子干涉
R
G
2. 光子及其干涉现象
■ Finally … “Each photon then interferes only with itself” But, what is a photon ?
2 = probability density
Dear Max, QM is very impressive. But … not yet the real thing… I am … convinced that He does not play dice. Albert, 1926 1926 Gilbert Lewis (chemist) suggested the name “photon”