第23章-量子光学基础
应用光学-第1章-几何光学基础
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实物成实像 虚物成实像
实物成虚像
虚物成虚像
50
完善成像的条件
1.完善像的定义：每一个物点对应于唯一的一个像 点，该像点称为完善像点，物体上每个点经过光 学系统后所成完善像点的集合就是该物经过关学 系统后的完善像
2.完善成像的条件： ①入射波面为球面波时，出射波面也为球面波 ∵球面波对应同心光束(会聚或发散) ∴ ②入射光束为同心光束时，出射光束亦为同心 光束
34
5. 费马原理(P8)
• 几何光学的三个基本定律，说明了光从一点传
播到另一点的传播规律，而费马原理则从光程 的角度阐述光的传播规律
• 费马原理，不是建立在实验基础上的定律，也
不是从数学上导出的定理，而是一个最基本的 假设。
• 费马原理是几何光学中光传播的理论基础。很
多定律和对事物总图像的描述，均可由其得到 正确的结果，但不是一种计算工具。
35
• 费马原理：光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的
路径传播的。（1679年）
• 可推导光基本定律 • 费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径，不论光线
正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。因而借助于费马 原理可说明光的可逆性原理的正确性
• 对于光程取极大或常量的情况
旋转椭球凹面 反射镜
36
48
二 成像概念
物点：物光束的交点 像点：像光束的交点 成像：物点发出的同心光束、经光学系统后变为另一个同
心光束 实物、实像点：实际光线的会聚点 虚物、虚像点：由光线的延长线构成的物像点 共轭：物经光学系统后与像的对应关系（A、A′对称性） 物空间：物所在的空间（包括虚物） 像空间：物所在的空间（包括虚像）
《大学基础物理学》农科用教材自作ppt课件-10量子力学基础2
第十章 量子力学基础(Quantum mechanics)
当前量子力学的重要应用
海 纳 百 川
量子生物学 量子生命科学 量子神经网络 量子化学 量子材料科学 量子信息科学 量子计算机科学 BEC器件、原子器件
大
目前，它正在向材料科学、化学、生物 学、信息科学、计算机科学大规模渗透。 预计不久的将来它将会成为： 整个近代科 学共同的理论基础
致 远
海 南 大 学
第十章 量子力学基础(Quantum mechanics)
测量黑体辐射出射度实验装置
海 纳
大 道
小孔
百 川
T
空腔
s
L1
平行光管
L2 会聚透镜
致
c
棱镜 热电偶
海 南 大 学
远
二、热辐射的基本定律 第十章 量子力学基础(Quantum mechanics)
黑体辐射的实验曲线
M (T ) /(1014 W m3 )
例1 （1）温度为室温 (20 C)的黑体，其单色辐 出度的峰值所对应的波长是多少？（2）若使一黑体 单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内， 海 其温度应为多少？（3）以上两辐出度之比为多少？ 纳 解 （1）由维恩位移定律
大 道
论.
五 了解德布罗意假设及电子衍射实验. 了解实 纳 物粒子的波粒二象性. 理解描述物质波动性的物理量 （波长、频率）和描述粒子性的物理量（动量、能 百 量）之间的关系.
川
致 远
六
了解一维坐标动量不确定关系 .
七 了解波函数及其统计解释 . 了解一维定态的 薛定谔方程， 以及量子力学中用薛定谔方程处理一 维无限深势阱等微观物理问题的方法 .
几何光学_波动光学和量子光学的区别与联系_彭金松
从数学方法上
3 三个光学分支的联系
几何光学 、 波动光学和量子光学虽有表 1 所示的区别 , 但它们之间也有密切的联系 。 12
3 . 1 几何光学与波动光学 光沿直线传播是几何光学的一个基本定律 , 光的衍射是波动光学波动性的一个最基本的特征 。 波的传 播中通常表现出衍射现象 , 即不沿直线传播而向各方向绕射的现象 , 窗户内外的人 , 虽彼此不相见 , 但都能听 到对方的谈话声 , 这说明声波能绕过窗户边缘传播 , 水波也能绕过水面上的障碍物传播 , 无线电波也能绕过 山的障碍 , 使山区也能接收到电台的广播 , 这说明电磁波也能绕过障碍物的边缘传播 , 但光的传播通常看来 是沿着直线传播的 , 遇到不透明的障碍物时 , 会投射出清晰的影子 , 粗看起来 , 衍射和直线传播似乎是彼此矛 盾的现象 。 下面看看光的衍射实验 。 光作为一种波动也存在衍射现象 , 如图 1所示 。 让一单色强点光源 o 发出的光波通过半径为 ρ 且连续可调的小圆孔 后 , 则在小圆孔后的屏上将发现 : 当 ρ 足够大时 , 在屏上看到的是一个均匀 照明的光斑 , 光斑的大小为圆孔的几何投影 (AB 表示屏上光斑的宽度 ), 这 与光的直线传播相一致 。 当 ρ 减小到一定值后 , 屏上的光斑会随着 ρ 的减 小而逐渐扩展 、 弥漫 、光强分布不均匀 , 呈现出明暗相间的同心圆环 , 且圆环 中心时亮时暗 , 这就是光的衍射现象
[ 1]
。
根据爱因斯坦的光子理论 , 光子不仅具有波动性 , 也具有粒子性 , 即具有波粒二象性 。 光的二象性在下 面两个公式 E = hν ,P = h /λ 中 , 特别明显地表现出来 ; 能量 E 和动量 P 是描述粒子特性的标志性物理量 , 而 频率 ν 和波长 λ 是描述波动特性的标志性物理量 , 由此还可看出光的波动特性和粒子特性就是通过普朗克 常数 h 定量地联系起来 。 普朗克常数 h 是对判明波究竟是波动特性还是粒子特性起着决定性作用的物理 量 。 将上两式写成 h = ET , 和 h = Pλ , 于是玻尔 (Bohr) 指出 , h 是两个变量的乘积 : 一个表现粒子特性的 E 和一个表现波动特性的 T = 1 /ν 的乘积 ; 一个表现粒子特性的 P 和一个表现波动特性的 λ 的乘积 。 光的波 长既适宜显示波动特性 , 也显示粒子特性 。 对于长波和低频的光子 , 其能量和动量小 , 则波动性明显 ; 对于短 波和高频的光子 , 其能量和动量较大 , 故其粒子性明显 。 根据前面对波动光学和量子光学的区别的研究 , 我 们知道 : 波动光学侧重研究光的波动性 , 量子光学侧重研究光的粒子性 。 由于光的波粒二象性通过普朗克常 [ 1] [ 3] 数 h定量地联系起来 。 据此 , 我们可以认为 : 波动光学和量子光学也是通过普朗克常数 h 联系起来的 。 13
大学物理学-浙江大学
大学物理（乙）Ⅰ教学大纲课程代码：061B0212 课程名称：大学物理（乙）Ⅰ学分：3 周学时：3-0面向对象：本科生预修课程要求：微积分（矢量代数）一、课程介绍（一）中文简介：大学物理（乙）Ⅰ内容包括：牛顿力学、刚体力学、相对论；振动与波，热力学基础；静电学初步。
可使学生对物质运动规律有一个初步的了解，了解物理学所包含的科学研究方法，了解物理知识和技术在工程中的应用，了解物理学与各工程学科之间的互相交叉和互相渗透，并介绍近代物理学的主要成果及相关应用。
宜在二年级第一学期开设，适合工程类专业学生学习。
（二）英文简介Brief Introduction of the Course:University Physics B1 includes the following contents:Newton's mechanics, rotational motion of rigid body, theory of relativity; oscillations and wave motion, foundation of thermodynamics; foundation of electrostatics. The learning of the course enables students to gain an initial understanding of the principles of the moving of objects, understand the methods of scientific research in physics. Understand the physical knowledge and technology in engineering application, understand physics and engineering discipline the each other between the cross and mutual penetration. It gives an introduction of the major results and correlated implement of modern physics. University Physics B1 should be opened in the second semester of the first grade, suitable for engineering student learning.二、教学目标(一)学习目标通过大学物理（乙）Ⅰ课程的教学，应使学生对物理学的基本概念、基本理论和基本方法有比较系统的认识和正确的理解，对物理学理论在各工程中的各种应用有初步的了解，为进一步学习打下坚实的基础。
普通物理学 §12-2 光的单色性、相干性
2、设法把同一波列(一个分子或原子在持续 时间内发出的光波)的光波通过反射或折射等过程， 分成两束光波(例如薄膜干涉)。显然，这两列光 波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波 分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所 以这种产生相干光的方法叫做分振幅法。
2、设法把同一波列(一个分子或原子在持续 时间内发出的光波)的光波通过反射或折射等过程， 分成两束光波(例如薄膜干涉)。显然，这两列光 波是相干光波，它们的能量是从同一波列的光波 分出来的，由于波的能量和振幅平方成正比，所 以这种产生相干光的方法叫做分振幅法。
激 光 （ laser: light amplification by stimulated emission of radiation，受激辐射光放大）是目前最 理想的相干光源，它不仅同一光源上同一点发出 的是相干光，而且同一光源上两个不同的部分也 具有很好的相干性，甚至两个独立激光器的光波 也能相干。
谱线 宽度
例: 普通单色光 : 10-2 10 0A 激光 ：10-8 10-5 A 可见光 103A
造成谱线宽度的主要原因： 1. 自然增宽：由能级自然宽度形成。
造成谱线宽度的主要原因： 1. 自然增宽：由能级自然宽度形成。
原子处在激发态有一定的寿命， E•h E -----能级宽度 E1+ E2 = h
2-5-1
光的单色性、相干性
2-5-1 光的单色性、相干性 一、光矢量
12-2 光的单色性、相干性 一、光矢量 光是一种电磁波，因此光就是电磁场中 电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间 的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空 间的传播。
12-2 光的单色性、相干性 一、光矢量 光是一种电磁波，因此光就是电磁场中 电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间 的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空 间的传播。研究表明，在光波中引起光效应 的，即对人的眼睛或照相底片等感光器件起 作用的，主要是电场强度E.
光学基础知识
光学加工基础知识§1光学玻璃基本知识一.基本分类和概念光学材料分类：光学玻璃、光学晶体、光学塑料三类。
玻璃的定义：不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔体过冷却所得的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有固体的机械性质的，均称为玻璃。
光学玻璃分为冕牌K和火石F两大类，火石玻璃比冕牌玻璃具有较大的折射率nd和较小的色散系数vd。
二.光学玻璃熔制过程将配合料经过高温加热,形成均匀的，高品质的，并符合成型要求的玻璃液的过程,称玻璃的熔制。
玻璃的熔制，是玻璃生产中很重要的环节.，玻璃的许多缺陷都是在熔制过程中造成的, 玻璃的产量、质量、生产成本、动力消耗、熔炉寿命等都与玻璃的熔制有密切关系。
混合料加热过程发生的变化有:物理过程-----配合料的加热，吸附水的蒸发，单组分的熔融，个别组分挥发.某些组分的多晶转变。
化学过程-----固相反应，盐的分解，水化物分解，结晶水的排除，组分间的作用反应及硅酸盐的形成。
物理化学过程-----低共熔物的组分和生成物间相互溶解,玻璃与炉气介质，耐火材料相互作用等。
上述这些现象的发生过程与温度和配合料的组成性质有关.对于玻璃熔制的过程,由于在高温下的反应很复杂,尚待充分了解,但大致可分为以下几个阶段。
1.加料过程-----硅酸盐的形成2.熔化过程-----玻璃形成3.澄清过程-----消除气泡4.均化过程------消除条纹5.降温过程-------调节粘度6.出料成型过程总之,玻璃熔制的每个阶段各有其特点,同时,它们又是彼此互相密切联系和相互影响的.在实际熔制中,常常是同时或交错进行的,这主要取决于熔制的工艺制度和玻璃窑炉结构特点。
三.玻璃材料性能1．折射率nd、色散系数vd根据折射率和色散系数与标准数值的允许差值，光学玻璃可以分为五类表1-1：折射率和色散系数与标准数值的允许差值2.光学均匀性光学均匀性指同一块玻璃中折射率的渐变。
玻璃直径或边长不大于150mm，用鉴别率比值法玻璃分类如表1-2。
-第1章-量子力学基础详细讲解
1.3.4 表象变换 设有两个表象A和B，其基矢分别为、。 （a）态矢的表象变换 在表象A中，可将任意态矢展开为 ，； 在表象B中，可将同一个态矢展开为 ，。 所谓态矢的表象变换，就是要建立和之间的关系。
（1.28） （1.29）
， （1.30） 其中
（1.31） 矩阵称为表象A和表象B之间的变换矩阵。（1.30）式可简写成
态矢量的归一化条件为 （1.23）
在连续变量表象中，完备性条件为 （1.24）
任意态矢量可展开为 （1.25a）
其中 （1.25b）
是态矢在表象中的表示，也就是通常讲的波函数。可见，态矢量在连续 表象中表现为一个普通函数。
态矢量的归一化条件为
（1.26） 可见，选定了一组基矢，就选定了一个表象；这类似于，选定了一 组单位矢量，就选定了一个坐标系。常用的连续表象有坐标表象和动量 表象；常用的离散表象有能量表象和角动量表象。
由于线性厄密算符的上述性质，在实验上可观测的力学量（如：坐 标、动量、能量、角动量、自旋等）均用线性厄密算符表示。不过，我 们也会遇到一些非常重要的非厄密算符，如光子产生算符、光子湮灭算 符等。
算符在量子态中的期望值（平均值）记为 （1.12a）
平均值为c数。若将态矢量按（1.11a）式用算符的本征态展开，则平均 值的计算如下：
1.4.2 纯态和混合态举例 (a) 纯态： 光子数态（photon-number state） ，其密度算符为 （1.51）
其中为光子数。 相干态（coherent state），其密度算符为 （1.52）
（1.18） 其中 。例如，坐标和动量的对易关系为
其不确定度关系为
（5） 全同粒子假设 作为量子力学的一条基本假设，认为所有的同一类粒子（例如所有 的电子、所有的光子等）的各种固有属性都是相同的，即同一类粒子是 全同的粒子。因而，在由全同粒子组成的系统中，交换其中任意两个粒 子不会改变系统的状态，这导致描述全同粒子系统的波函数对粒子的交 换要么是对称的，要么是反对称的。 研究发现，全同粒子可分为两大类，一类称为玻色子，其自旋为零 或正整数（，…）；另一类称为费米子，其自旋为半奇数（，…）。玻 色子和费米子具有完全不同的性质，例如，描述玻色子系统的波函数对 粒子的交换是对称的，而描述费米子系统的波函数对粒子的交换是反对 称的；玻色子服从玻色-爱因斯坦统计，而费米子服从费米-狄拉克统 计。
基础光学(赵凯华版)Chap1 Introduction
1光学2009.02~2009.06教师简介•董建文–2003年理学学士中山大学物理学系光信息–2000-03年辅修中山大学信科学院计算机系–2003-07 光学博士光电材料与技术国家重点实验室–2007年助理研究员香港科技大学物理系•办公室：南校区激光所403•Phone: (020)84111469,84037563-8403•E-email：dongjwen@ •Homepage: /dong/•Course website: http://202.116.84.117:403/2课程提纲（Syllabus ）1.引言（Introduction）2.几何光学（Geometrical Optics）3.光的干涉（Interference）4.光的衍射（Diffraction）5.光的偏振（Polarization）6.光的吸收、散射、色散（Absorption,Scattering, Dispersion）7.光的量子现象（Quantum of the light）8.激光（Laser）9.现代光学进展（Progresses of Optics）包括：全息（Holography），光子晶体与负折射率材料(Photonic crystals & Negative refraction metamaterials)，量子光学11(Quantum Optics)12参考书（Reference Texts ）•《光学》，赵凯华钟锡华，北京大学出版社•《光学》章志鸣等编著，高等教育出版社•《基础光学》，李良德，中山大学出版社•《普通物理学教程——光学》，易明，高等教育出版社•Principles of Optics 7th edition, Born & Wolf, Cambridge•课程要求成绩考核•课堂笔记•平时作业25%•考试成绩20%(Midterm) + 45%(Final)•严肃纪律(点名) 10%•课程网址：http://202.116.84.117:403/第1章引言§1.1 光学发展史1.中国古代它是一门古老的学科。
光电子学与光子学答案第二版课后答案4
光电子学与光子学答案第二版课后答案4 篇 一 一、题目 1. 物理学部分 第一章（光的基本性质） 基础难度 题目：光在真空中的传播速度为 \(c = 3\times10^{8}\space m/s\)。如果光在某种介质中的传播速度为 \(v = 2\times10^{8}\space m/s\)，求这种介质的折射率 \(n\)。
2. 工程光学部分 第三章（光学成像系统） 中等难度 题目：一个薄透镜的焦距为 \(f = 10\space cm\)，当物距 \(u = 30\space cm\)时，求像距 \(v\)。
3. 光电子学部分 第五章（光电探测器） 高难度 题目：已知一个光电探测器的量子效率为 \(\eta = 0.8\)，入射光功率为 \(P = 10\space mW\)，光子能量为 \(E = h\nu = 2\times10^{19}\space J\)（其中 \(h\)为普朗克常量，\(\nu\)为光频率），求探测器产生的光电流 \(I\)。
二、答案 1. 根据折射率的定义 \(n=\frac{c}{v}\)，将 \(c = 3\times10^{8}\space m/s\)，\(v = 2\times10^{8}\space m/s\)代入可得：\(n=\frac{3\times10^{8}}{2\times10^{8}} = 1.5\)。
2. 根据薄透镜成像公式\(\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}\)，将 \(f = 10\space cm = 0.1\space m\)，\(u = 30\space cm=0.3\space m\)代入，可得\(\frac{1}{v}=\frac{1}{f}\frac{1}{u}=\frac{1}{0.1}\frac{1}{0.3}=\frac{3 1}{0.3}=\frac{2}{0.3}\)，则 \(v = 0.15\space m = 15\space cm\)。
量子力学在量子光学与光电子学中的应用
量子力学在量子光学与光电子学中的应用量子力学是描述微观粒子行为的一种物理理论，它的应用领域非常广泛，其中包括量子光学与光电子学。
量子光学是研究光与物质相互作用时，必须考虑光子的量子性质的一门学科。
光电子学则是研究光与电子的相互作用以及光电子器件的设计与制造的学科。
在这两个领域中，量子力学的应用发挥着重要的作用。
首先，量子力学在量子光学中的应用是不可忽视的。
在传统的光学中，光被看作是经典的电磁波，但是当光与物质相互作用时，光的量子性质就变得非常重要。
量子光学研究的一个重要方向就是光的量子态的产生与控制。
量子力学的波粒二象性理论揭示了光子既可以被看作是粒子也可以被看作是波动的现象，这为产生和控制光的量子态提供了理论基础。
通过利用量子力学的数学工具，如密度矩阵、相干态等，研究人员可以制备出各种光的量子态，如单光子态、叠加态等，这为量子通信、量子计算等领域的发展提供了基础。
其次，量子力学在光电子学中的应用也是十分重要的。
光电子学是研究光与电子的相互作用以及利用光电子器件进行信息处理的学科。
在光电子器件的设计与制造中，量子力学的理论可以提供宝贵的指导。
例如，在半导体光电子器件中，量子力学的能带理论可以解释材料的导电性质，从而指导器件的设计与优化。
另外，量子力学的量子力学隧穿效应在光电子器件中也发挥着重要的作用。
量子力学隧穿效应是指粒子在势垒中以概率的形式穿越的现象，它在光电子器件中的应用可以实现电子的高速传输，提高器件的性能。
除了在量子光学与光电子学中的基础研究中的应用外，量子力学在实际应用中也发挥着重要的作用。
例如，量子力学在光谱学中的应用是不可或缺的。
光谱学是研究物质与光的相互作用以及通过光的特性来研究物质性质的学科。
量子力学的理论可以解释光谱线的产生机制，并通过计算与实验相结合，可以确定物质的能级结构、分子结构等重要参数。
这对于材料科学、化学等领域的研究和应用具有重要意义。
此外，量子力学在光子学中的应用也是非常广泛的。