2021超快量子光电子学推荐资料

超快量子(liàngzǐ)光电子学第一页，共20页。改变(gǎibiàn)世界的光子学信息光子(guāngzǐ)学改变了人们的通讯、交流与生活方式:光纤是互联网数据传输的“信息高速公路”；激光是信息的“载体”。知识经济的标志：信息科技的发展信息科学的发展标志：光子(guāngzǐ)信号替代电子信号处理激光的出现改变了工业加工方法；改变了现代战争方式；改变了科学研究方法；改变了医学(yīxué)诊断治疗方法；改变了世界的许多方方面面。第二页，共20页。世界面临的重大科技问题期待着在光子学方面找到出路：1能源问题：光能是最古老、最有效、最安全的能源方。地球上的一切能源均直接或间接地来自于太阳能----------问题：光子能量的存储、控制与利用2农业问题：水稻与植物的光合作用过程------------光合作用，我们到底知道多少？3信息问题：信息的传输、处理与利用，光子计算机------------信息容量极限？需要全光光子器件吗？4健康问题：从诊断到治疗的革命------------光子成像，激光治疗，美容校正，….5军事问题：抢占军事制高点：-----------激光制导、激光拦截(lánjié)、激光致盲、激光武器6科学问题：-----------激光核聚变，极端条件下的物理状态…..第三页，共20页。引言(yǐnyán)篇超快量子光学导论(dǎolùn)第四页，共20页。基本科学问题(wèntí)：1光子能存储吗？光子能静止吗？光子能穿透墙壁吗？原子的自发辐射寿命可以控制吗？未来的量子通讯可能吗？新一代光子物理与技术如何解决“硬件”问题(wèntí)？“光合作用”的基本物理化学过程是什麽？“视觉过程”是如何工作的？光可以控制化学反应的方向与化学反应产物吗？…….解决方法：利用光子的相干特性第五页，共20页。超快量子光子学的研究(yánjiū)内容光子学：研究光子行为量子(liàngzǐ)光子学：研究光子与量子(liàngzǐ)力学体系相互作用的行为超快量子(liàngzǐ)光子学：研究超短激光脉冲与物质相互作用的行为涉及海量与高速信息光子学发展的基础知识，是科技发展的前沿与主流（Nature,Science等杂志光子学论文占相当比重）第六页，共20页。什么是相干？定义：相干是指体系的各个子集之间存在着逻辑，有序或美学间的关联。相干态：物理学上的相干态是指体系的各个部分在相位(xiàngwèi)上存在的某种关联。如相干光场——激光相干物质波——玻色—爱恩斯坦凝聚相干波包——化学反应的本质…………第七页，共20页。社会科学中的相干性:相干性是社会变迁的动力,是革命的基本方法造反者利用社会相干性发动群众当权者淡化相干,影响相干,极化(POLARIZE)相干市场上的心理效应导致股市的起伏神经病是大脑神经单元(dānyuán)的部分相干取向所致高速公路上行驶的汽车也有相干特性大雁飞行也是相干的多米诺骨牌:相干效应感觉爽古代谚语：“人心齐，泰山移”。…………..第八页，共20页。自然科学中的相干性：爱因斯坦的受激吸收与受激辐射概念的提出：激光理论基础核磁共振全息照相激光器的出现非线性光学与非线性光谱学霍尔效应与分数量子霍尔效应激光的原子冷却飞秒相干光化学玻色-爱因斯坦凝聚高温超导——超导机理(jīlǐ)研究？光合作用——能量与电子的传输机理(jīlǐ)？……………..第九页，共20页。相干性的数学(shùxué)描述:相干性是一个统计平均现象,需要对所研究的体系作统计平均:

量子力学(lìxué)力学(lìxué)量电偶极子的统计平均值上式既可以对时间平均，也可以对多个测量对象取平均。取值大小(dàxiǎo)取决于波函数的相位相干性第十页，共20页。CoherenceinPhotonicWorldcoherenceinphotonicworldcoherenceinphotonicwworld第十一页，共20页。相干性特征(tèzhēng)相干态既可以是相干光场（相干场），也可以是相干物质(wùzhì)波（相干态）相干光场与相干态可以相互作用与相互转换。如相干光场可以转换为物质(wùzhì)体系的极化激元，极化激元也可以转换为光子辐射极化激元可以随光场传输，也可以在材料中长时间停留，导致光子能量的局域化与光能存储量子光子信息的基本原理就是利用光子信息与物质(wùzhì)体系极化子间的相互转换与控制。量子光子器件也称为未来超高速、宽带信息光子学的“硬件”。第十二页，共20页。相干态的产生(chǎnshēng)方法：用外场诱导(yòudǎo)体系，使系统处于相干态。产生相干态的最有效方法1用受激诱导(yòudǎo)辐射制备“激光”2用超短巨脉冲激发物质体系

3使系统长时间处于受迫态

4定期、定点激发物质体系（激光锁模）5制造理想的物质体系（自然界的多米诺骨牌）第十三页，共20页。关于相干态产生方法的若干说明：1相干态起源于产生于两个(liǎnɡɡè)或两个(liǎnɡɡè)以上能级的粒子波函数间的跃迁；2处于定态的原子波函数没有相干态；3相干态以原子的跃迁频率快速振荡；4相干态本身可随激发场的振幅变化而变化；5相干态对应于原子系综，是统计平均行为；6在激发场撤离后，相干态仍然可以延续，延续时间由相干态的寿命决定，这一寿命不同于原子在上能级的停留时间；7相同与不同频率的相干态之间可以产生干涉，相干态也可以向外辐射，产生相干辐射。第十四页，共20页。相干(xiānggān)时间有多长？取决于所研究的现象：社会现象的相干性可以延续若干年原子团簇的相干性：波色－爱因斯坦凝聚：秒的量级原子自旋的相干性：核磁共振，毫秒量级电子(diànzǐ)跃迁的相干性：稀薄气体：微秒－纳秒量级凝聚态介质：内层电子(diànzǐ)间的跃迁：纳秒－皮秒量级外层电子(diànzǐ)间的跃迁：皮秒－飞秒量级内壳层－电离层间的跃迁：飞秒－阿秒量级第十五页，共20页。相干(xiānggān)态的测量方法直接测量相干态的相干辐射采用相关测量法相干态说明：直接测量法不能测量相干态的快变成分相关测量法可用于振幅(zhènfú)与相位的测量

第十六页，共20页。量子光学中的相干(xiānggān)态应用举例自感应透明：光子可以透过吸收体电磁诱导透明：光子可以减速，光子可以静止（以极化子的能量形式）量子干涉(gānshè)：化学反应方向可以控制原子减速与原子凝聚：构成新的物质态超快量子光子器件：“硬件”有史无前例的响应速度量子通讯与量子计算：明日的信息科技迈向利用与开发“光合作用”“视觉过程”等高速、高效自然界过程的新台阶第十七页，共20页。内层电子(diànzǐ)间的跃迁：纳秒－皮秒量级在RARB中适当能量的光子可以存储相干性是社会变迁的动力,是革命的基本方法------------光合作用，我们到底知道多少？多米诺骨牌:相干效应感觉爽古代谚语：“人心齐，泰山移”。量子力学(lìxué)力学(lìxué)量电偶极子的统计平均值引言(yǐnyán)篇或美学间的关联。相干态既可以是相干光场（相干场），也可以是相干物质(wùzhì)波（相干态）相干(xiānggān)态的测量方法多米诺骨牌:相干效应感觉爽电磁诱导透明：光子可以减速，光子可以静止（以极化子的能量形式）量子光学中的相干(xiānggān)态应用举例相干态的寿命决定，这一寿命不同于原子在上能级的4关键问题：增益从何而来？相干态应用举例：量子光子(guāngzǐ)管研究光子(guāngzǐ)管应用基础：低工作阈值；低功率损耗；器件可集成(jíchénɡ)；足够的弱光放大系数；超快相应速度第十八页，共20页。使用主动型光子晶体的量子效应有望解决量子光子管的若干重要问题：1低阈值：毫瓦级的平均功率2超快速相应速度：1－2皮秒3可以集成：体积(tǐjī)仅为