양자 광학에 대해. 열복사

형질 열복사:

신체의 글로우, 즉 신체에 의한 전자기파의 방사는 다양한 메커니즘으로 인해 수행 될 수 있습니다.

열 복사는 분자와 원자의 열 운동으로 인한 전자기파의 방출입니다. 열운동 중에 원자는 서로 충돌하여 에너지를 전달함과 동시에 들뜬 상태(excited state)가 되고 바닥 상태(ground state)로 전이되면 전자파를 방출한다.

열 복사는 0도 이외의 모든 온도에서 관찰됩니다. 켈빈, 장적외선은 낮은 온도에서 방출되고 가시광선과 자외선은 높은 온도에서 방출됩니다. 다른 모든 유형의 방사선을 발광이라고 합니다.

우리는 이상적인 반사 표면을 가진 쉘에 몸을 놓고 쉘에서 공기를 펌핑합니다. (그림 1). 몸에서 나오는 방사선은 껍질의 벽에서 반사되어 다시 몸에 흡수됩니다. 즉, 몸과 방사선 사이에는 일정한 에너지 교환이 있습니다. 평형 상태에서 단위 부피가 단위인 물체에서 방출되는 에너지의 양. 시간은 신체가 흡수하는 에너지와 같습니다. 균형이 깨지면 균형을 복원하는 프로세스가 있습니다. 예를 들어, 신체가 흡수하는 것보다 더 많은 에너지를 방출하기 시작하면 내부 에너지와 체온이 감소합니다. 이는 방출되는 에너지의 양이 받은 에너지의 양과 같아질 때까지 더 적게 방출하고 체온이 감소한다는 것을 의미합니다. 열복사만이 평형 상태에 있습니다.

에너지 광도 - , 여기서 의존하는 것을 보여줍니다 - 온도).

에너지 광도는 단위와 함께 방출되는 에너지입니다. 단위 면적 시각.
. 방사선은 스펙트럼 분석에 따라 다를 수 있으므로
- 에너지 광도의 스펙트럼 밀도:
는 주파수 범위에서 방사되는 에너지입니다.

는 파장 범위에서 방출되는 에너지입니다.
단위 시간당 단위 면적당.

그 다음에
;
- 이론적 결론에 사용되며,
- 실험적 의존성.
해당
, 그래서
그 다음에

, 왜냐하면
, 그 다음에
. "-" 기호는 주파수가 증가하면 파장이 감소함을 나타냅니다. 따라서 "-"는 대체할 때 폐기됩니다.
.

- 분광 흡광도는 신체가 흡수하는 에너지입니다. 이것은 주어진 주파수(또는 파장)의 입사 복사 에너지의 몇 분율이 표면에 의해 흡수되는지를 보여줍니다.
.

완전 블랙 바디이것은 모든 주파수와 온도에서 떨어지는 모든 방사선을 흡수하는 몸체입니다.
. 회색 몸체는 흡광도가 1보다 작지만 모든 주파수에서 동일한 몸체입니다.
. 다른 모든 본체의 경우
주파수와 온도에 따라 다릅니다.

그리고
1) 본체 재질 2) 주파수 또는 파장 3) 온도에 따른 표면 상태.

키르히호프의 법칙.

에너지 광도의 스펙트럼 밀도 사이(
) 및 분광 흡광도(
) 모든 신체에 연결이 있습니다.

서로 다른 온도의 껍질에 여러 개의 서로 다른 몸체를 놓고 공기를 내보내고 껍질을 일정한 온도 T로 유지합시다. 몸체와 몸체와 껍질 사이의 에너지 교환은 복사로 인해 발생합니다. 일정 시간이 지나면 시스템은 평형 상태가 됩니다. 즉, 모든 몸체의 온도는 껍질의 온도와 같지만 몸체는 다르기 때문에 한 몸체가 단위로 방사되는 경우입니다. 물체의 온도가 같기 위해서는 시간보다 더 많은 에너지를 다른 물체보다 더 많이 흡수해야 합니다.
- 다른 몸을 나타냅니다.

키르히호프의 법칙: 에너지 광도의 스펙트럼 밀도와 모든 물체에 대한 스펙트럼 흡광도의 비율은 주파수와 온도의 동일한 함수입니다. 이것이 키르히호프 함수입니다. 기능의 물리적 의미: 완전히 흑체
따라서 Kirchhoff의 법칙은 다음과 같습니다.
흑체의 경우, 즉 Kirchhoff 함수는 흑체의 에너지 광도의 스펙트럼 밀도입니다. 흑체의 에너지 광도는 다음과 같이 표시됩니다.
, 그래서
Kirchhoff 함수는 모든 신체에 대한 보편적인 함수이기 때문에 주요 작업은 열 복사, Kirchhoff 함수 유형의 실험적 결정 및 이러한 함수의 동작을 설명하는 이론적 모델의 결정입니다.

자연계에 절대적으로 흑체는 없으며 그을음, 벨벳 등이 그것들에 가깝습니다. 실험적으로 흑체 모델을 얻을 수 있습니다. 이를 위해 우리는 작은 구멍이 있는 껍질을 가져오고 빛이 그 안으로 들어가 벽에서 반사될 때마다 반복적으로 반사되고 흡수되므로 빛이 나오지 않거나 극소량, 즉 이러한 장치는 흡수와 관련하여 절대 흑체로 거동하며 Kirchhoff 법칙에 따라 흑체로 복사합니다. 즉, 실험적으로 껍질을 가열하거나 특정 온도에서 유지함으로써 관찰할 수 있습니다. 껍질에서 나오는 방사선. 회절 격자를 사용하여 방사선을 스펙트럼으로 분해하고 스펙트럼의 각 영역에서 강도와 방사선을 결정하여 의존성을 실험적으로 결정했습니다.
(gr. 1). 특징: 1) 스펙트럼은 연속적입니다. 즉, 가능한 모든 파장이 관찰됩니다. 2) 곡선이 최대값을 통과합니다. 즉, 에너지가 고르지 않게 분포됩니다. 3) 온도가 상승함에 따라 최대값은 더 짧은 파장으로 이동합니다.

예를 들어 흑체 모델을 설명하겠습니다. 즉, 껍질이 외부에서 조명되면 구멍이 빛나는 벽의 배경에 대해 검은색으로 나타납니다. 벽이 검은색일지라도 구멍은 여전히 ​​더 어둡습니다. 백자 표면을 가열하면 약하게 빛나는 벽의 배경에 구멍이 분명히 눈에 띄게됩니다.

스테판-볼츠만 법칙

다양한 물체에 대한 일련의 실험을 수행한 후, 우리는 모든 물체의 에너지 광도가
. Boltzmann은 흑체의 에너지 광도가
그리고 그것을 기록했습니다.
- f-라 스테판-볼츠만.

볼츠만 상수.
.

와인의 법칙.

1893년에 윈이 받았다 -
- 빈의 법칙.
;
;
;, 그 다음에
. 우리는 다음을 대체합니다:
;


;
.
, 그 다음에
,
- 부터의 기능
, 즉.
에 대한 이 방정식의 해입니다.
어떤 숫자가있을 것입니다
;
실험에서 결정
- 끊임없는 죄책감.

빈의 변위 법칙.

표현: 이것은 완전한 흑체의 에너지 광도의 최대 스펙트럼 밀도에 해당하는 파장이 온도에 반비례합니다.

레일리 공식-청바지.

정의: 에너지 흐름은 단위 시간당 현장을 통해 전달되는 에너지입니다.
. 에너지 플럭스 밀도는 단위 시간당 단일 영역을 통해 전달되는 에너지입니다.
. 체적 에너지 밀도는 단위 체적당 에너지입니다.
. 파동이 한 방향으로 전파되면 해당 영역을 통해
~ 동안
실린더의 부피에서 전달된 에너지는 다음과 같습니다.
(그림 2) 그런 다음

. 완전히 검은색 벽이 있는 공동의 열 복사를 고려해 보겠습니다. 그런 다음 1) 벽에 떨어지는 모든 복사가 흡수됩니다. 2) 에너지 플럭스 밀도는 캐비티 내부의 각 지점을 통해 임의의 방향으로 전달됩니다.
(그림 3). Rayleigh와 Jeans는 공동의 열복사를 정상파의 중첩으로 간주했습니다. 극소임을 알 수 있다.
공동으로 반구로 복사 플럭스를 방사합니다.
.
.

흑체의 에너지 광도는 단위 시간당 단위 면적에서 복사되는 에너지이며, 이는 에너지 복사 플럭스가 다음과 같다는 것을 의미합니다.
,
; 동등

;
주파수 간격당 체적 에너지 밀도
. Rayleigh와 Jeans는 자유도에 대한 균일한 에너지 분포의 열역학 법칙을 사용했습니다. 정상파에는 자유도가 있으며 진동하는 각 자유도에 대해 에너지가 있습니다.
. 정상파의 수는 공동의 정상파 수와 같습니다. 단위 부피당 및 주파수 간격당 정상파의 수는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
같음
여기서 서로 수직인 방향을 가진 2개의 파동이 한 방향으로 전파될 수 있음을 고려합니다.
.

한 파동의 에너지에 주파수 간격당 공동의 단위 체적당 정상파 수를 곱하면
주파수 간격당 체적 에너지 밀도를 얻습니다.
.
. 이런 식으로
여기에서 우리는 찾을 것입니다
이것을 위해
그리고
. 대리자
. 대리자
입력
, 그 다음에
- 레일리-진스 공식. 공식은 장파 영역의 실험 데이터를 잘 설명합니다.

(2학년)
;
그리고 실험은 그것을 보여줍니다
. Rayleigh-Jeans 공식에 따르면 신체는 복사만 하고 신체와 복사 사이에는 열 상호작용이 없습니다.

플랑크 공식.

Rayleigh-Jeans와 마찬가지로 Planck는 공동의 열복사를 정상파의 중첩으로 간주했습니다. 같은 길
,
,
, 그러나 플랑크는 방사선이 연속적으로 발생하는 것이 아니라 부분적으로 양자에 의해 결정된다고 가정했습니다. 각 양자의 에너지는 값을 취합니다.
,저것들
또는 고조파 발진기의 에너지는 이산 값을 취합니다. 고조파 발진기는 고조파 진동을 수행하는 입자뿐만 아니라 정상파로도 이해됩니다.

결정을 위해
에너지의 평균값은 볼츠만 법칙에 따라 주파수에 따라 에너지가 분포된다는 것을 고려합니다. 즉, 주파수를 갖는 파동이 발생할 확률 에너지 가치를 취하다 와 동등하다
,
, 그 다음에







.

;
,
.

- 플랑크의 공식.

;
;


. 공식은 실험 의존성을 완전히 설명합니다.
그리고 열복사의 모든 법칙은 그것으로부터 따릅니다.

플랑크 공식의 결과.

;

1)
저주파 및 고온

;
;
- 레일리 진.

2)
고주파 및 저온
;
그리고 거의
- 와인의 법칙. 삼)


- 스테판-볼츠만 법칙.

4)
;
;
;
- 이것은 초월 방정식이며 수치적 방법으로 풀면 방정식의 근을 얻습니다.
;
- 빈의 변위 법칙.

따라서 공식은 종속성을 완전히 설명합니다.
열 복사의 모든 법칙은 이것에서 따르지 않습니다.

열복사 법칙의 적용.

백열등 및 자체 발광체의 온도를 결정하는 데 사용됩니다. 이를 위해 고온계가 사용됩니다. 고온 측정법은 뜨거운 물체의 광선 속도에 대한 물체의 에너지 의존성을 사용하는 방법이며 광원에 사용됩니다. 텅스텐의 경우 스펙트럼의 가시 부분에 기인하는 에너지 비율은 동일한 온도의 흑체보다 훨씬 큽니다.

빛- 파동 및 양자 특성을 갖는 전자기 복사.

양자- 입자(미립자).

웨이브 속성.

빛은 횡전자파()이다.

, E 0 , H 0 - 진폭 값,
- 원. 주기. 빈도,
- 빈도. 그림 1.

V - 속도 분포 주어진 매체에서 파동. V=C/n, 여기서 C는 빛의 속도(진공에서 C=3*10 8 m/s)이고, n은 매질의 굴절률입니다(매질의 특성에 따라 다름).

, - 유전 상수, - 투자율.

파동의 위상이다.

빛의 감각은 파동의 전자기적 성분( ).

- 파장, 기간 동안 파동이 이동한 경로와 동일(
;
).

가시 범위: =0,40.75μm

;

4000 - 짧은 (보라색); 7500 - 긴(빨간색).

빛의 양자 속성.

양자 이론의 관점에서, 빛은 별도의 부분인 양자에 의해 방출, 전파 및 흡수됩니다.

광자 특성.

1. 미사
; m 0 - 휴식 질량.

만약 m0 0(광자), 그러면 V=C, m= - 넌센스, 따라서 m 0 =0 - 움직이는 광자. 그러므로 빛은 멈출 수 없습니다.

따라서 광자 질량은 다음에서 계산해야 합니다. 에너지에 대한 상대론적 공식. E=mC2, m=E/C2.

2. 광자 에너지.E=mC 2 .

1900년 독일의 물리학자 막스 플랑크는 광자의 에너지에 대해 다음 공식을 도출했습니다.
.

h=6.62*10 -34 J*s는 플랑크 상수입니다.

3. 충동.

p=mV=mC=mC 2 /C=E/C=h/
; 입자의 p-특성, 파동의 특징이다.

파동 광학. 간섭 - 재배포. 공간에서 빛입니다.

광파의 중첩으로 인해 공간의 일부 장소에서는 빛의 강도가 증가하고 다른 곳에서는 감쇠가 증가합니다. 즉, 공간에서 광도의 재분배가 있습니다.

간섭을 관찰하기 위한 조건은 광파의 간섭성(조건을 만족하는 파동: -단색파;
- 파동의 위상은 시간이 지남에 따라 공간의 주어진 지점에서 일정합니다.

간섭 패턴의 계산.

소스는 일관된 파동입니다. ; * - 가리키다. 자원.

어둡고 밝은 밴드.

1. l ~ d이면
그림은 구별할 수 없으므로 무언가를 보기 위해서는 2. 엘<.

점 M에서 두 개의 일관된 파동이 중첩됩니다.

, d1,d2 - 파도가 지나간 미터; - 위상차.

더 어둡게 / 더 밝게 - 강도.
(비례항).

파도가 일관성이 없는 경우:
(기간의 평균 값).

(중첩, 오버레이).

일관성 있는 경우:
;

;
- 빛의 간섭(빛의 재분배)이 있습니다.

; 만약
(파동의 진행에 따른 광학적 차이), n-굴절률, (d2-d1) - 파도의 과정에서 기하학적 차이; -파장(파동이 일정 기간 동안 이동하는 경로).

간섭의 기본 공식입니다.

경로에 따라 , 그들은 다른 . 아이레스는 후자에 의존합니다.

1. 나입술최대.

이 조건 최고이 경우 파동은 동일한 위상으로 와서 서로를 강화하기 때문에 빛의 간섭.

n-다중 인자; - 간섭무늬가 화면의 중심을 기준으로 대칭임을 의미합니다.

위상이 일치하면 진폭은 위상에 의존하지 않습니다.

- 또한 최대 조건.

2 . 나입술분.

; k=0,1,2…
.

- 이 조건 최저한의, 왜냐하면 파도는 역위상으로 도착하고 서로 상쇄됩니다.

일관된 파동을 얻는 방법.

받는 원칙.

일관된 파동을 얻으려면 하나의 소스를 가져와서 나오는 광파를 두 부분으로 나눈 다음 강제로 만나야 합니다. 이 파도는 일관성이 있을 것입니다. 따라서 복사의 동일한 순간에 속할 것입니다. .

광파를 둘로 나누는 현상.

1. 현상 빛의 반사(프레넬 이중 거울). 그림 4.

2 . 현상 빛의 굴절(프레넬 바이프리즘). 그림 5.

3 . 현상 광 회절.

이것은 빛이 작은 구멍이나 거의 불투명한 장애물을 통과할 때 직선 전파에서 빛의 편차입니다(둘 다) d가 파장에 상응하는 경우 (ㄹ~ ). 그런 다음: 그림 6. - 영의 설치.

이 모든 경우에 실제 광원은 포인트였습니다. 실생활에서 빛은 하늘의 한 부분으로 확장될 수 있습니다.

4.
, n은 필름의 굴절률입니다.

두 가지 경우가 가능합니다.

H = const, 그러면
. 이 때 간섭무늬를 등기울림무늬라고 한다.

시간 상수 평행 광선이 떨어집니다.
.
동일한 두께의 줄무늬.

"뉴턴의 고리" 설치.

반사광과 굴절광의 간섭패턴을 고려할 필요가 있다.

기사의 내용

양자 광학빛의 양자적 성질을 연구하는 광학의 한 분야. 양자 광학은 빛의 양자 물리학이라고 말할 수 있습니다. 양자 광학에 대한 관심은 일찍이 20세기 전반부에 나타났지만, 이 과학 분야는 물리학자들이 소위 빛의 특수한 상태를 준비하는 방법을 배운 20세기 말에 특히 집중적인 발전을 받았습니다. 비 고전적인 빛. 이제 비 고전적인 빛은 정보의 비밀 전송뿐만 아니라 정확한 측정에 사용되는 계측, 분광학에서 성공적으로 사용됩니다. 또한 양자 광학의 접근 방식과 방법은 빛의 방출 및 흡수와 관련된 다양한 측정에서 제공하는 정보를 크게 보완할 수 있습니다.

퀀타.

양자 기술의 아이디어가 처음 제안된 것은 빛, 또는 오히려 전자기장에 대한 것이었습니다. 이 아이디어는 1900년 막스 플랑크(Max Planck)에 의해 제시되었으며, 빛 방출은 부분적으로 - 양자적으로 발생한다고 제안했습니다. 이 가정은 많은 사람들에게 역설적으로 보였지만 광학 분야 전체에 구원의 은혜가 되었습니다. 이전에는 설명할 수 없었던 가열된 물체의 복사 스펙트럼 모양을 설명할 수 있게 되었습니다. 방출 스펙트럼을 계산하려는 이전의 시도는 단파장 영역, 즉 스펙트럼의 자외선 부분에서 무한히 큰 값이 발생했습니다. 물론 실험에서는 어떠한 차이도 관찰되지 않았고, 이러한 이론과 실험의 불일치를 '자외선 재앙'이라고 불렀다. 빛의 방출이 부분적으로 발생한다는 가정은 이론적으로 계산된 스펙트럼의 발산을 제거하여 "자외선 재앙"으로부터 물리학을 구할 수 있게 했습니다.

방출 스펙트럼 외에도 물리학에서 또 하나의 모호한 부분이 있었습니다. 즉, 광전 효과 현상( 센티미터. 광전 효과). 금속의 빛에 의해 탈락된 전자의 운동 에너지가 빛의 진동수에 의존하는 이유는 명확하지 않았습니다. 더욱이 충분히 낮은 주파수의 빛은 광전 효과를 전혀 일으킬 수 없습니다. 빛의 저주파는 스펙트럼의 빨간색 부분에 해당하므로 이 현상을 광전 효과의 빨간색 경계라고 합니다. 1905년 알버트 아인슈타인은 양자 가설을 사용하여 광전 효과를 설명했습니다. 아인슈타인의 아이디어는 각 전자가 에너지의 단일 부분, 즉 하나의 양자를 얻는다는 것입니다. 그리고 이 양자의 에너지가 작다면 전자가 금속을 떠나는 것만으로는 충분하지 않습니다. 이 아이디어를 바탕으로 아인슈타인은 광전 효과 이론을 개발했으며 이는 실험 데이터로 완벽하게 확인되었습니다.

이제 빛이 부분적으로 방출되고 흡수된다는 것이 밝혀졌습니다. 이로 인해 아인슈타인은 빛이 항상 불연속적인 구조를 갖는다고 제안했습니다. 이 놀라운 아이디어는 하나의 가설에 불과했습니다. 결국 빛의 흡수와 방출은 부분적으로 일어난다는 사실에서 빛이 부분적으로만 존재한다는 것은 아닙니다. 그러나 "양자 광학"이라는 이름을 정당화하는 것은 바로 이 아이디어이며, 빛의 양자 특성을 지지하는 더 강력한 주장이 등장한 것은 양자 광학의 발달과 함께입니다.

입자 또는 파동?

20세기 초에 광자(light quanta)는 광자(photons)라고 불리기 시작했고, 곧 "빛은 광자로 구성된다"는 말이 일반적으로 받아들여졌다. 빛은 소체의 흐름, 즉 입자라는 생각이 있었습니다. 그러나 간섭, 회절과 같은 빛에 대해 관찰되는 파동 현상은 빛의 입자 구조로 설명할 수 없습니다. 빛과 일반적으로 전자기 복사는 파동이며 동시에 입자의 흐름( 센티미터. 양자 역학). 이 두 가지 관점을 조화시키기 위해 20세기 중반에 개발되었습니다. 빛에 대한 설명에 대한 양자 접근. 이 접근 방식의 관점에서 전자기장은 다양한 양자 상태 중 하나에 있을 수 있습니다. 이 경우 V.A. Fock의 이름을 따서 명명된 Fock 상태라는 주어진 수의 광자를 가진 고유한 상태 클래스가 하나만 있습니다. 따라서 "빛은 광자로 구성됨"이라는 문구를 문자 그대로 받아들여서는 안 됩니다. 예를 들어, 빛은 99%의 확률로 광자를 포함하지 않고 1%의 확률로 포함하는 상태에 있을 수 있습니다. 두 개의 광자. 이것은 광자와 다른 소립자의 차이점 중 하나입니다. 예를 들어 제한된 부피의 전자 수가 정확히 설정되어 있으며 전체 전하를 측정하고 전자 1개의 전하로 나누어 결정할 수 있습니다. . 일정 시간 동안 특정 공간에 있는 광자의 수는 매우 드문 경우, 즉 빛이 Fock 상태일 때만 정확하게 측정될 수 있습니다. 양자 광학의 전체 섹션은 다양한 양자 상태에서 빛을 준비하는 다양한 방법에 전념하며, 특히 Fock 상태에서 빛을 준비하는 것은 중요하지만 항상 가능한 작업은 아닙니다.

브라운-트위스 실험.

단일 및 상관 광자 . 빛의 비양자 물리학이 존재할 수 있습니까? 물론 그렇습니다. 대부분의 경우 광학 현상은 양자 이론의 도움 없이 설명될 수 있습니다. 그러나 그렇지 않은 경우가 많고 빛의 양자 특성을 고려하는 것이 중요한 경우가 많습니다.

양자 광학의 첫 번째 실험은 1956년에 수행된 Brown과 Twiss의 실험으로 믿어집니다. Brown과 Twiss는 일부 광원에서 광자를 등록할 때 "딸깍"하는 두 개의 광검출기로 빛을 보내면 검출기가 종종 동시에 클릭합니다. 실험에서 Brown과 Twiss는 수은등의 복사선과 나중에 별의 빛을 사용했습니다. 이 실험은 오랫동안 빛의 광자 특성에 대한 증거로 간주되었습니다. 결국, 광검출기의 클릭이 동시에 발생한다는 것은 둘 다 때때로 무작위로 클릭하는 것이 아니라 실제로 존재하는 빛의 일부를 등록한다는 것을 의미합니다. 그러나 수은등이나 별에서 빛이 감지될 때 동시 클릭은 광검출기에서 무작위 클릭의 경우보다 기껏해야 두 배만 발생한다는 것이 밝혀졌습니다. 이 결과는 고전적으로 충분히 설명할 수 있으며 아직 빛의 광자 구조를 증명하지 못합니다. 그럼에도 불구하고 곧 (20 세기의 60 년대에) 광원이 발견되어 그러한 실험에서 광검출기의 동시 클릭으로 이어집니다. 물리학의 다른 공간적 지점에서 일부 사건의 동시성은 일반적으로 상관관계라고 합니다. 예를 들어, 두 친구가 서로 전화통화만 하면 그들의 전화는 항상 동시에 바쁘고, 우리는 그들의 아파트에서 걸려온 전화의 상관관계에 대해 이야기할 수 있습니다. 따라서 두 개의 광검출기가 정확히 동시에 클릭되도록 하는 빛을 쌍-상관 빛 또는 광자 번칭이라고 할 수 있습니다. 이러한 속성은 2광자 빛에 의해 나타납니다. 반면에 광검출기 클릭을 동시에 생성하지 않는 광원이 있습니다. 이러한 빛을 광자 안티번칭 라이트라고 합니다.

비 고전적인 빛.

광자 번칭과 안티번칭을 이용한 빛의 등록 실험은 빛의 광자 구조를 실제로 증명했으며, "실제 양자 광학" 실험이라고 할 수 있습니다. 그러나 두 경우 모두 주어진 수의 광자를 가진 특별한 양자 상태에서 빛이 준비되었습니다. 첫 번째 유형의 실험에서는 2광자 빛이 기록되었고 두 번째 유형의 실험에서는 단일 광자 빛이 기록되었습니다. 따라서 특수한 상태에서만 빛이 고전적 입장에서 설명할 수 없는 특성을 나타낸다는 결론에 다시 도달할 수 있습니다. 이러한 빛의 상태를 비고전적 상태라고 합니다.

2광자 빛에는 또 다른 놀라운 특성이 있습니다. 이러한 빛은 양자 역학의 기본 아이디어인 개별 양자 입자의 확률적 거동에 대한 아이디어를 실험적으로 테스트하는 데 사용할 수 있음이 밝혀졌습니다. 센티미터.벨의 불평등).

오늘날 실험실에서 어떤 비고전적 상태의 빛을 준비할 수 있습니까? 꽤 많은 것으로 나타났습니다. 물리학자들은 진공 상태, 즉 진공 상태의 혼합물로 단일 광자 빛과 이광자 빛을 준비하는 방법을 알고 있습니다. 광자가 없는 빛의 상태. 이것은 무엇을 의미 하는가? 단일 광자 빛의 경우 이는 이상적인 광검출기가 특정 순간에 켜져 있어도 반드시 광자를 등록하지는 않는다는 것을 의미합니다. 그는 약간의 확률로 클릭합니다. (이상적인 광검출기는 입력에 광자가 있는 경우 100% 확률로 작동하는 검출기로 이해됩니다.) 그러나 광검출기는 원칙적으로 하나의 광자를 두 광자와 구별할 수 있더라도 두 광자를 등록하지 않습니다. . 마찬가지로 광자 삼중항, 광자 사중항 등은 등록되지 않습니다. 따라서 광검출기(또는 한 쌍의 광검출기)가 진공 상태와 2광자 상태의 혼합을 등록하면 클릭은 쌍으로만 발생하지만 임의의 시간에 발생합니다. 3배, 4배 광자 등 도 등록되지 않습니다.

단일 광자 빛은 또한 진공 상태의 불순물 없이 준비할 수 있습니다. 이 경우 광검출기를 켜야 할 때 정확한 순간이 알려지고 100%의 확률로 클릭됩니다. 그러나 3광자 및 훨씬 더 많은 4광자 빛 실험자는 진공이 혼합된 상태에서도 요리할 수 없습니다!

그리고 마지막으로 "접근할 수 있는" 유형의 비고전적 빛의 마지막은 소위 압착된 빛입니다. 이러한 빛에는 짝수 개의 광자만 포함되며, 등록될 때 광검출기는 광자 쌍, 4배, 6, 등등. 그러나 3배, 5배 및 기타 홀수 수의 광자는 절대 허용되지 않습니다.

비고전적인 빛의 응용.

비고전적인 빛은 흥미로운 연구 대상일 뿐만 아니라 물리학자들의 관심을 끌고 있습니다. 다양한 응용 분야에서 매우 유용한 것으로 판명되었습니다. 예를 들어, 2광자 빛은 광검출기를 정확하게 보정하는 데 사용됩니다. 각 광검출기는 불완전합니다. 100% 미만의 확률로 작동합니다. 이 확률을 광검출기의 양자 효율이라고 합니다. 광검출기의 보정은 양자 효율의 측정입니다. 이전에는 이를 위해 기준 소스 또는 수광부가 사용되어 측정이 매우 정확하지 않았습니다. 그러나 2광자 빛은 그러한 표준을 생략하는 것을 가능하게 합니다. 실제로 2개의 광검출기가 2광자 빛을 등록한다면 이상적으로는 항상 동시에 클릭해야 합니다. 실제로 동시 클릭 수는 광검출기의 클릭 수보다 적습니다. 동시 클릭 수를 광검출기 중 하나의 클릭 수로 나누면 두 번째 광검출기의 양자 효율을 얻을 수 있습니다. 이 경우 표준이 필요하지 않으며 기존 방법에 비해 측정 정확도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

2광자 빛과 같이 압축된 빛은 정확한 측정에 유용합니다. 이를 사용하면 양자 불확실성과 관련된 실험 오류를 줄일 수 있습니다. 양자 물체에는 정확하게 지정된 매개변수가 없는 경우가 가장 많은 것으로 알려져 있습니다. 그들의 속성은 공간에서의 위치가 "번짐"인 것처럼 "번짐"이라고 부를 수 있습니다. 고정밀 측정에서 실험 오차가 최소화되면 이러한 특성 번짐이 측정 정확도의 근본적인 한계가 됩니다. 압착 조명을 사용하면 이러한 어려움을 피할 수 있고 특정 시점에서 번짐을 줄일 수 있습니다.

마지막으로, 비고전적 빛의 최신 응용 프로그램 중 하나는 정보의 비밀 전송(양자 암호)입니다. 이를 위해서는 단일 광자 빛을 사용하는 것이 가장 편리합니다. 양자 암호화의 아이디어는 개별 광자에 의해 정보를 전송하는 것입니다. 예를 들어, 숫자 0과 1은 광자의 편광으로 인코딩됩니다. 수직으로 편광된 광자는 "0"을 의미하고 수평으로 편광된 광자는 "1"을 의미합니다. 그러한 정보 전송은 "들릴 수" 없기 때문에 비밀이 될 것입니다. 도청자는 전체 광자 중 일부만 가로챌 수 있습니다. 결국 광자의 일부를 쪼개어 편광을 알아낼 수 없습니다. 그러나 가로채는 광자는 단순히 정보 전송에 참여하지 않으므로 개별 양자에 의해 전송되는 정보는 도청으로부터 보호됩니다.

마리아 체호바

정의 1

양자광학은 빛의 양자적 성질이 스스로 나타날 수 있는 현상을 연구하는 것을 주된 임무로 하는 광학의 한 분야이다.

이러한 이벤트는 다음과 같을 수 있습니다.

• 광전 효과;
• 열복사;
• 라만 효과;
• 콤프턴 효과;
• 유도 방출 등

양자 광학의 기초

고전 광학과 달리 양자 광학은 보다 일반적인 이론을 나타냅니다. 그것이 다루는 주요 문제는 물체의 양자 특성을 고려하면서 빛과 물질의 상호 작용을 설명하는 것입니다. 양자 광학은 또한 특수한(특정 조건)에서 빛의 전파 과정에 대한 설명을 다룹니다.

이러한 문제를 보다 정확하게 해결하려면 물질(전파 매체 포함)과 빛에 대한 설명이 양자 존재의 관점에서만 필요합니다. 동시에 설명할 때 과학자들은 시스템 구성 요소 중 하나(예: 물질)가 고전적 대상의 형식으로 설명될 때 작업을 단순화하는 경우가 많습니다.

예를 들어 계산에서 종종 활성 매체의 상태만 양자화되는 반면 공진기는 고전적인 것으로 간주됩니다. 그러나 길이가 파장보다 10배 높은 것으로 판명되면 더 이상 고전적인 것으로 간주될 수 없습니다. 그러한 공진기에 배치된 여기 원자의 거동은 더 복잡할 것입니다.

양자 광학의 작업은 빛의 미립자 특성(즉, 광자와 입자-미립자)을 연구하는 것을 목표로 합니다. 1901년에 제안된 빛의 속성에 대한 M. Planck의 가설에 따르면, 그것은 별도의 부분(광자, 양자)에서만 흡수되고 방출됩니다. 양자는 특정 질량 $m_f$, 에너지 $E$ 및 운동량 $p_f$을 갖는 물질 입자를 나타냅니다. 그런 다음 공식이 작성됩니다.

여기서 $h$는 플랑크 상수를 나타냅니다.

$v=\frac(c)(\lambda)$

여기서 $\lambda$는 빛의 주파수입니다.

$c$는 진공에서 빛의 속도입니다.

양자론에서 설명하는 주요 광학 현상은 빛의 압력과 광전 효과입니다.

양자 광학의 광전 효과와 광압

정의 2

광전 효과는 빛의 광자와 물질 사이의 상호 작용 현상으로, 복사 에너지가 물질의 전자로 전달됩니다. 내부, 외부 및 밸브와 같은 다양한 광전 효과가 있습니다.

외부 광전 효과는 빛이 조사되는 순간 (특정 주파수에서) 금속에서 전자가 방출되는 것이 특징입니다. 광전 효과의 양자 이론은 전자에 의한 광자의 각 흡수 작용이 다른 것과 독립적으로 수행된다고 말합니다.

방사선 강도의 증가는 입사 및 흡수된 광자의 수의 증가를 동반합니다. 에너지가 진동수 $v$에 의해 흡수될 때, 각 전자는 하나의 광자만 흡수할 수 있고 에너지는 빼앗아갑니다.

에너지 보존 법칙을 적용한 아인슈타인은 외부 광전 효과(에너지 보존 법칙의 표현)에 대한 방정식을 제안했습니다.

$hv=A_(out)+\frac(mv^2)(2)$

$A_(out)$는 금속 전자의 일함수입니다.

방출된 전자의 운동 에너지는 다음 공식으로 구합니다.

$E_k=\frac(mv^2)(2)$

아인슈타인 방정식에서 $E_k=0$이면 가능한 최소 주파수(광전 효과의 빨간색 테두리)를 얻을 수 있습니다.

$v_0 = \frac (A_(out)) h$

빛의 압력은 입자와 마찬가지로 광자가 흡수 및 반사 과정에서 신체로 전달되는 특정 운동량을 가지고 있다는 사실로 설명됩니다.

가벼운 압력과 같은 현상은 또한 파동 이론을 설명하며, 이에 따르면 (드 브로이 가설을 참조하면) 모든 입자에도 파동 특성이 있습니다. 운동량 $P$와 파장 $\lambda$ 사이의 관계는 다음 방정식을 보여줍니다.

$P=\frac(h)(\lambda)$

콤프턴 효과

비고 1

Compton 효과는 자유 전자에 의한 광자의 비간섭성 산란이 특징입니다. 불일치의 개념은 산란 전후의 광자의 비간섭을 의미합니다. 이 효과는 광자의 주파수를 변경하는 반면 산란 후 전자는 에너지의 일부를 받습니다.

콤프턴 효과는 입자(광자)의 흐름으로 빛의 미립자 특성을 나타내는 실험적 증거입니다. Compton 효과와 광전 효과 현상은 빛의 양자 개념에 대한 중요한 증거입니다. 동시에 빛의 회절, 간섭, 편광과 같은 현상은 빛의 파동성을 확인하는 역할을 합니다.

Compton 효과는 미립자의 미립자 파동 이원론의 증거 중 하나입니다. 에너지 보존 법칙은 다음과 같이 작성됩니다.

$m_ec^2+\frac(hc)(\lambda)=\frac(hc)(\lambda)+\frac(m_ec^2)(scrt(1-\frac(v^2)(c^2)) )$

역 Compton 효과는 광자보다 높은 에너지를 가진 상대론적 전자에 의해 산란될 때 빛의 주파수가 증가함을 나타냅니다. 이 상호 작용에서 에너지는 전자에서 광자로 전달됩니다. 산란된 광자의 에너지는 다음 식에 의해 결정됩니다.

$e_1=\frac(4)(3)e_0\frac(K)(m_ec^2)$

여기서 $e_1$ 및 $e_0$는 각각 산란 및 입사 광자의 에너지이고 $k$는 전자의 운동 에너지입니다.

양자 광학

양자 광학

라이트 필드와 광학의 미세 구조를 연구하는 통계 광학 섹션. 양자가 보이는 현상. 세계의 자연. 양자의 개념. 그에 의해 도입된 방사선의 구조. 1900년 물리학자 M. 플랑크.

통계 간섭 구조. 필드는 S. I. Vavilov(1934)에 의해 처음 관찰되었으며, 그는 "빛의 미세 구조"라는 용어도 제안했습니다.

빛은 복잡한 물리적 물질입니다. 무한한 수의 매개변수에 의해 상태가 결정되는 객체. 이것은 고전적인 컷인 단색 복사에도 적용됩니다. 설명은 진폭, 주파수, 위상 및 편광으로 완전히 특성화됩니다. 라이트 필드의 완전한 결정의 문제는 극복할 수 없는 기술적 문제로 인해 해결될 수 없습니다. 필드 매개변수의 무한한 측정과 관련된 어려움. 추가의 이 문제 해결의 복잡성은 본질적으로 양자에 의해 도입됩니다. 문자 측정은 광검출기에 의한 광자의 등록과 관련이 있기 때문입니다.

레이저 물리학의 발전과 약한 광속을 감지하는 기술의 향상은 양자 물리학의 발전과 과제를 결정했습니다. 통계에 따른 사전 레이저 광원. St. 당신은 Gaussian이 있는 노이즈 발생기와 같은 유형입니다. 필드의 상태는 복사 스펙트럼의 모양과 강도에 의해 거의 완전히 결정됩니다. 퀀텀의 등장으로 발전기와 양자. 증폭기 K. o. non-Gaussian, 통계를 포함하여 매우 다양한 소스를 마음대로 사용할 수 있습니다. 형질.

필드의 가장 단순한 특성은 cf입니다. 강함. 단일 검출기에 의한 시간의 광자 등록에 대한 실험에서 결정된 필드 강도의 시공간 분포에 대한 보다 완전한 특성화. 현장 상태에 대한 보다 완전한 정보는 양자 연구를 통해 제공됩니다. 그것의 차이. 수량, to-rye는 여러 분야의 광자의 공동 등록에 대한 실험에서 부분적으로 결정할 수 있습니다. 수신기, 또는 in-ve의 다광자 과정 연구.

센터. K.O.의 개념, 현장의 상태와 변동의 그림, yavl. 소위. 상관 함수 또는 필드 상관기. 그것들은 양자 역학으로 정의됩니다. 필드 연산자의 평균(QUANTUM FIELD THEORY 참조). 상관기의 복잡성 정도에 따라 순위가 결정되며 높을수록 통계가 미묘합니다. Saint-va 필드가 특징입니다. 특히, 이러한 기능은 임의의 수의 검출기에 의해 제 시간에 광자의 공동 등록 사진을 결정합니다. 상관 함수는 비선형 광학에서 중요한 역할을 합니다. 광학의 비선형성 정도가 높을수록 프로세스를 설명하는 데 더 높은 순위의 상관기가 필요합니다. K. o에서 특히 중요합니다. 양자 일관성의 개념을 가지고 있습니다. 부분 및 전체 필드가 ​​있습니다. 시스템에 미치는 영향에서 완전히 일관된 파동은 가능한 한 고전파와 유사합니다. 단색 파도. 이것은 양자를 의미합니다. 간섭 필드의 변동은 최소화됩니다. 좁은 스펙트럼 대역을 가진 레이저의 복사는 특성이 완전히 간섭하는 특성에 가깝습니다.

상관관계 연구. 더 높은 차수의 f-tions는 당신이 물리적으로 공부할 수 있게 해줍니다. 방사 시스템(예: 레이저). 방법 intermol의 세부 사항을 결정할 수 있습니다. 매체에서 빛이 산란되는 동안 광수 통계의 변화를 기반으로 합니다.

물리 백과사전. - M.: 소련 백과사전. . 1983 .

양자 광학

통계학을 연구하는 광학의 한 분야. 빛과 물질의 상호 작용 과정에서 빛 필드의 속성과 이러한 속성의 양자 표현. 복사의 양자 구조의 개념은 1900년 M. Planck(M. Planck)에 의해 도입되었습니다. 모든 물리적인 것과 마찬가지로 라이트 필드. 필드는 양자적 특성으로 인해 통계적 대상입니다. 즉, 그 상태는 확률적 의미로 결정됩니다. 60년대부터. 통계에 대한 집중적인 연구를 시작했습니다. 분포.) 또한, 광자의 자발적 생성의 양자 과정은 양자 이론에서 연구하는 분야에서 상당한 변동의 피할 수 없는 원인입니다. 마지막으로, 광검출기에 의한 빛의 등록(광수)은 이산 양자입니다. 비선형 광학에 의한 매체 등에서 방사선 발생기의 노이즈; 한편, 비선형 광학에서 프로세스 변경 통계가 있습니다. 반면에 라이트 필드의 속성은 필드 통계가 비선형 프로세스의 흐름에 영향을 줍니다. 상관 함수 또는 필드 상관기. 그들은 양자 역학으로 정의됩니다. 필드 연산자의 평균(참조 양자장 이론).필드의 가장 단순한 특성은 그것과 cf입니다. 강함. 이러한 특성은 PMT에서 전자 광방출 속도를 측정하여 빛의 강도와 같은 실험에서 발견됩니다. 이론적으로 이러한 양은 Krom의 필드 상관기에 의해 설명됩니다(필드의 편광을 고려하지 않음). - 전기 연산자의 에르미트 켤레 구성 요소. 필드
시공간에서 x=(r,t).운영자 통해 표현 - 소멸 연산자(참조 두 번째 양자화)광자 " 케이"-번째 패션 분야 영국(r):

따라서, 그것은 출생 연산자 Sign의 관점에서 표현됩니다.< . . . >필드의 상태에 대한 양자 평균을 나타내며, 그것이 물질로 고려된다면 물질의 상태에 대한 것입니다. 필드의 상태에 대한 정보는 상관기에 포함됩니다. G 1,1 (엑스 1 , 엑스 2). 입력 일반적인 경우현장의 상태를 자세히 결정하려면 상관 관계에 대한 지식이 필요합니다. 고차(순위)의 기능. 광자 흡수 등록과 관련하여 상관기의 표준 형식은 일반적으로 다음과 같이 정렬됩니다.

모든 피의 생성 연산자는 모든 m개의 소멸 연산자의 왼쪽에 있습니다. 상관기의 순서는 합과 같습니다. n+m.실제로, 낮은 차수의 상관자를 연구하는 것이 가능합니다. 대부분의 경우 상관자입니다. G 2,2 (엑스 1 ,엑스 2 ;엑스 2 ,엑스 1), 이것은 복사 강도의 변동을 특징짓는 것으로, 두 개의 검출기에 의한 광자의 공동 계수에 대한 실험에서 발견됩니다. 유사하게, 상관기가 정의됩니다. 엔,엔(엑스 1 ,. . .x 피;xp,. ..엑스 1) 광자 수 등록에서 피수신기 또는 데이터에서 N- 광자 흡수. G n,m s 피№티비선형 광학 시스템에서만 가능합니다. 실험. 고정 측정에서 상관기의 불변 조건 Gn,m시간이 지남에 따라 에너지 보존 법칙의 충족이 필요합니다.

여기서 w는 각각 연산자의 고조파 주파수입니다. 특히, G 2,l은 하나의 광자가 소멸되고 두 개의 광자가 생성되는 과정에서 3파동 상호작용의 간섭에 대한 공간적 그림에서 발견됩니다(그림 2 참조). 광파의 상호 작용).비정상 상관자 중에서 특히 관심이 있는 것은 다음과 같습니다. G 0,1 (엑스), 양자장의 강도를 결정합니다. 가치 | G 0,1 (엑스)| 2는 특별한 경우에만 필드 강도의 값을 제공합니다. 특히 일관된 필드의 경우. p(n,T) - 정확히 실현할 확률 피시간 간격의 포토 카운트 티.이 기능은 임의로 높은 차수의 상관기에 대한 숨겨진 정보를 포함합니다. 숨겨진 정보의 식별, 특히 소스에 의한 방사선 강도 분포의 기능 결정은 소위 주제입니다. 우주 방정식에서 광자를 계산하는 역 문제. 광자 계수는 근본적으로 양자적 성질을 갖는 실험으로 강도가 나등록된 필드는 변동하지 않습니다. 이 경우에도 시간에 따라 임의의 일련의 포토 카운트에 의해 발생합니다. 포아송 분포

여기서 b는 소위 광검출기의 감도 특성입니다. 그 효과. 의미 G(엑스 1 ,엑스 2) 시공간이 분리됨에 따라 1이 되는 경향이 있음 엑스 1 및 엑스 2, 통계에 해당하는 포토 카운트의 독립성. 포인트를 합칠 때 엑스 1 =엑스 2 =엑스차이점 G (엑스, 엑스) 화합에서 ( G- 1) 방사선 강도 변동의 수준을 특성화하고 두 개의 검출기에 의한 동시 및 독립적 등록 중에 얻은 광수 일치 횟수의 차이에서 나타납니다. 단일 모드 필드의 강도 변동은 수량에 의해 특성화됩니다.

상태에 대해 평균을 내는 것이 편리한 경우 | N> (참조 상태 벡터)에서 밀도 매트릭스

어느 곳에서 R 피 -상태에서 필드 모드를 실현할 확률 피광자. 열 복사의 경우 확률 R 피주어진 보스- 아인슈타인 통계:

어디 참조. 모드의 광자 수 변동이 심한 분야이며, g= 2. 긍정적인 것이 특징이다. 상관 관계 G- 2개의 광자의 동시 등록에서 1>0. 이러한 강도 변동의 경우, 지> 1, ~라고 불리는 안으로. 광자의 그룹화. g-1=0은 소위에 위치한 필드를 나타냅니다. 일관된 상태,영국 리크 이것은 K.에 대해 특별히 할당되었습니다. 예를 들어, 고전적으로 이동하는 전하에 의해 변동하지 않는 강도를 갖는 필드 클래스가 생성됩니다. 일관된 필드 최대 소위 말하는 간단하게 설명되어 있습니다. 아르 자형(a)-Glauber 표현(참조 양자 일관성).이 보기에서

어디

(**) 표현은 고전에 해당한다고 볼 수 있습니다. 표현 G,크롬에서 아르 자형(a)는 고전적인 복소 진폭 분포의 함수로 간주됩니다. 필드이고 항상 P(a) > 0입니다. 후자는 조건으로 이어집니다 G>1, 즉, 고전적 가능성 그룹화 필드만. 이것은 고전파의 강도 변동이 있다는 사실에 의해 설명됩니다. 필드는 두 광검출기에서 동시에 광수에 동일한 변화를 일으킵니다.

아르 자형(a) == d 2 (a - a 0) = d d -

복소 평면의 2차원 d-함수 a. 써멀 클래식. 필드는 긍정적으로 특성화됩니다. 기능(그룹화를 설명함). 양자 필드의 경우 아르 자형(a) - 함수는 실수이지만 인수의 유한한 영역에서는 음수를 취할 수 있습니다. 값, 다음을 나타냅니다. 준 확률. 정확히 주어진 숫자가 있는 필드에 대한 Photocount 통계 N모드에서 >1 광자 피 n =디 엔(디 nN - 크로네커 기호) 본질적으로 비고전적입니다. 이 상태의 경우 지 = 1 - 1/N,네거티브에 해당합니다. 상관 관계: G- 1 <0. Такие случаи наз. в К. о. антигруппировкой фотонов, к-рую можно объяснить тем, что фотона одним из детекторов уменьшает вероятность фотоотсчёта в другом. Эффект антигруппировки наблюдается и в свете, резонансно рассеянном одним атомом. В этом случае регистрируемые кванты спонтанно рождаются в среднем через определ. интервалы времени и вероятность одноврем. рождения двух квантов равна нулю, что и даёт нулевую вероятность их одноврем. регистрации. многофотонные процессы. К. о. находит всё более широкую область применения. Так, напр., в связи с проектированием оптич. системы для регистрации гравитац. волн и постановкой т. н. невозмущающих оптич. экспериментов, в к-рых уровень флуктуации, в т. ч. квантовых, сводится к минимуму, внимание исследователей привлекают такие состояния поля, наз. "сжатыми", в к-рых флуктуации интересующей величины (подобной интенсивности или фазе идеально стабилизированного лазера) могут быть в принципе сведены до нуля.문학.: Glauber R., 광학 일관성 및 광자 통계, in: 양자 광학 및 양자 방사선 물리학, trans. 영어로부터. 및 프랑스어, 모스크바, 1966; Clauder J., Sudarshan E., 양자 광학의 기초, trans. 영어, M.. 1970; Perina Ya., 빛의 일관성, 트랜스. 영어, M., 1974에서; 광학 혼합 및 광자의 분광학, ed. G, Cummins, E. Pike, trans. 영어, M., 1978; K lyshk o D.N., Photons i, M., 1980; Crosignani B., Di Porto P., Bertolotti M., 산란광의 통계적 특성, trans. 영어, M., 1980에서. 성지. 프르지벨스키.

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