033-量子电子学（量子光学）-董俊厦门大学[hejizhancom].ppt

2009/8/31 量子电子学 量子电子学（量子光学） 董 俊 厦门大学 信息科学与技术学院电子工程系 Email: jdong@xmu.edu.cn 内 容 光学发展简史、相关的光学文献及查找方法 量子光学的基础知识 光的电磁理论及其量子化 高斯光束及其传播（ABCD公式） 光学谐振腔 光的电磁理论 光的电磁理论主要是用来描述光的传播特性 1864年，麦克斯韦在总结安培、法拉第等人关于电场、磁场的研究工作的基础上，归纳得出了描述统一的电磁场规律的麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论。 1865年他进一步提出了光是一种电磁波的设想，并在1888年被赫兹的实验所证实，光的电磁理论由此得以确立。 光的电磁理论的建立推动了光学及整个物理学的发展，尽管在理论上有其局限性，但它仍是阐明众多光学现象的经典理论。 电磁波谱(The electromagnetic spectrum) 电磁波按其频率或波长排列构成波谱，它覆盖了从γ射线到无线电波的一个相当广阔的频率范围。 光是特定波段的电磁波 可见光在真空中的波长范围约为390～760 nm(注意相对性)，相应的频率范围约为8×1014 ～ 4×1014 Hz。 不同波段的电磁波的产生机制、特征和应用范围各不相同。光源中的原子或分子从高能级向低能级跃迁时发出光波，在各种加速器中被加速的电子也能辐射光波。 虽然光波在整个电磁波谱中仅占有很窄的波段，它却对人类的生存、人类生活的进程和发展，有着巨大的作用和影响。 由于光在发射、传播和接收方面具有独特的性质，以致很久以来光学作为物理学的一个主要分支一直持续地发展着，尤其是激光问世后，光学领域获得了突飞猛进地发展。 人物传记—麦克斯韦 麦克斯韦(James Clerk Maxwel, 1831-1879) 英国物理学家。 数学神童，十岁进入爱丁堡科学院的学校，十四岁获科学院的数学奖； 1854，毕业于剑桥大学。以后，根据开尔文的建议，开始研究电学, 研究法拉第的力线； 1855，“论法拉第的力线”问世，用矢量场描述电磁场。同年，父逝，据说研究中断； 1856，阿贝丁拉马利亚学院的自然哲学讲座教授，三年； 1860，到伦敦皇家学院任教，与法拉第见面 1861－1862，《论物理力线》分四部分发表；提出涡旋电场与位移电流的假设 1864,《电磁场动力论》向英国皇家协会宣读；1865，上述论文发表在《哲学杂志》上； 1873，公开出版《电磁学通论》一书，达到顶峰。这是一部几乎包括了库仑以来的全部关于电磁研究信息的经典著作；在数学上证明了方程组解的唯一性定理，从而证明了方程组内在的完备性。 1873，担任卡文迪许实验室第一任主任并整理卡文迪许的遗作。 1879， 因病(肺结核)去世，48岁。 1873年，麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》，具有划时代的意义。麦克斯韦在分子动理论方面的功绩也是不可磨灭的，他运用数学统计的方法导出了分子运动的麦克斯韦速度分布律。麦克斯韦还研究过土星的光环和视觉理论，创立了定量色度学。他的理论为近代科学技术开辟了崭新的道路，可是他的功绩生前却未得到重视。法拉第－麦克斯韦电磁场理论，在物理学界只能被逐步接受。它崭新的思想与数学形式，甚至象赫姆霍兹和波尔兹曼这样有异常才能的人，为了理解消化它也花了几年的时间。直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在后，人们才意识到他是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。 麦克斯韦方程组（Maxwell’s equations） 麦克斯韦方程组描述了电磁场的基本规律，它有积分和微分两种表达形式。 积分形式的麦克斯韦方程组 静电场和静磁场的麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组 交变电磁场的麦克斯韦方程组 麦克斯韦假定在交变电场和交变磁场中，高斯定理依然成立。变化的磁场会产生涡旋电场，故静电场的环路定律应代之以涡旋电场场强的环流表达式；对静磁场的环路定律则引入了位移电流的概念后进行了修改，这样，就得出了适用于交变电磁场的麦克斯韦方程组。 麦克斯韦方程组 微分形式的麦克斯韦方程组 为方便地求解电磁场的某一场量，实际中常使用麦克斯韦方程组的微分形式。 在电磁场中功率的输运、存储和损耗（Power transport, storage, and dissipation in electromagnetic fields ） 将方程式（2-10）对任意一个体积V积分，并利用高斯定理 谐振场中偶极子的损耗（Dipolar dissipation in harmonic fields） 由介质的电极化引起场损耗的单位体积平均功率： 电磁波在各向异性晶体中的传播（Propagation of electromagnetic waves in anisotropic