Спецкурсы
Квантовая электроника и квантовая информатика
Лекторы
Сергей Павлович Кулик
кафедра квантовой электроники
Профессор, д.ф.-м.н.
Сергей Николаевич Молотков
факультет вычислительной математики и киберненики
Профессор, д.ф.-м.н.
Аннотация
Курс посвящен физическим основам квантовых усилителей и генераторов, освоению основных понятий теории взаимодействия поля и вещества. К ним относятся: вынужденное излучение и поглощение, инверсия населенностей и отрицательная температура, сечение взаимодействия, диэлектрическая восприимчивость, спонтанные переходы, нестационарная оптика, когерентное взаимодействие.
Программа курса
- Введение, основные понятия.
История квантовой электроники. Основные понятия: вынужденное и спонтанное излучение, инверсия населенностей, релаксация, обратная связь. Шкала электромагнитных волн. Единицы измерения длин волн: мкм, нм, А, см−1, эВ. Характерные энергии для оптического диапазона. Постоянные: Планка, скорость света, заряд и масса электрона. Сечение перехода и коэффициент поглощения (усиления). Условие самовозбуждения квантового генератора. Методы инверсии населенностей. - Коэффициенты поглощения и усиления.
Уравнение Шредингера в энергетическом представлении. Теория возмущения. Приближения: линейное, дипольное, вращающейся волны, неподвижных независимых атомов. Вероятность перехода в монохроматическом поле. Учет ширины резонанса. Естественное, столкновительное, доплеровское уширение. Однородное и неоднородное уширение. - Взаимодействие с некогерентным полем.
Функция корреляции, время когерентности и ширина спектра. Спектральная плотность поля. Коэффициенты Эйнштейна А и В. Электромагнитное поле как термостат. Плотность мод. Спектральная яркость излучения и число фотонов на моду. Эффективная температура. - Линейная поляризация среды.
Определение и общие свойства диэлектрической восприимчивости — роль вещественности поля, симметрии среды, принципа причинности. Классическая модель дисперсии. Поправки на локальное поле. Закон дисперсии и нормальные волны. Поляритоны. Двупреломление. Квантовая теория дисперсии. Матрица плотности — определение, свойства, аналогия с поляризацией среды. Уравнение фон Неймана. Кинетические уравнения. Времена релаксации Т1, Т2 и Т2*. Дисперсионная формула Крамерса-Гейзенберга. Сила осциллятора. - Двухуровневая модель.
Уравнения Блоха. Стационарное решение. Эффект насыщения. Насыщение неоднородно-уширенного перехода. Провалы Беннета и Лемба. Спектроскопия насыщения. Когерентое взаимодействие. Условия наблюдения нестационарных эффектов. Вектор и сфера Блоха. Геометрическая интерпретация. Свободная прецессия. Вынужденная нутация. Формула Раби для населенностей. Эффекты: самоиндуцированная прозрачность, оптическое эхо, сверхизлучение, резонансная флуоресценция. Понятие когерентной спектроскопии.
Литература
- Д. Н. Клышко. Физические основы квантовой электроники. Наука, М., 1986г., с.293.
- П. В. Елютин. Теоретические основы квантовой радиофизики. Изд-во МГУ, 1982г., 144с.
- Ю. А. Ильинский, Л.В.Келдыш. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Изд-во МГУ, 1989г., 300с.