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《光场中的原子分子及激光技术》通过研究通过试验详细讨论了原子分子和激光的技术。也可作为从事原子分子物理、激光光学、光物理、光化学和光学层析成像研究的广大科技工作者,以及相关专业的大学教师、研究生与大学生的资料。
内容简介
《光场中的原子分子及激光技术》系统论述了原子多光子电离的相关理论基础和研究方法,详细讨论了用光电子成像装置测量光电子角分布来研究原子光电离的特征,重点讲述了如何在实验上获得电子云影像并由此确定原子光离化参数以及研究奇偶宇称跃迁过程的量子干涉。《光场中的原子分子及激光技术》还以相当的篇幅介绍了原子激光光谱和分子红外多光子离解研究的某些专题,详细讨论了无多普勒展宽高分辨激光光谱学的基本原理与研究方法。光学与激光技术方面的内容包括激光测距、风洞流场全息干涉测量以及法布里-珀罗干涉仪(标准具)在光波长与光谱线宽测量、激光纵模选择等方面的原理及应用。末尾一章介绍在光学层析成像领域的新研究成果。并详细阐述了基于激光二维扫描系统和CCD照相机的非接触光学层析成像实验装置及其在光学漫射层析成像和光学荧光层析成像中的应用。
《光场中的原子分子及激光技术》读者范围包括从事原子分子物理、激光光学、光物理、光化学和光学层析成像研究的广大科技工作者,以及相关专业的大学教师、研究生与大学生。
作者简介
汪正民(Zheng-MinWang),美国普渡大学物理学哲学博士。主要在以下大学和研究机构学习、从事教学与研究工作:南京大学、中国科学技术大学、中国科学院安徽光学精密机械研究所、美国埃姆斯国家实验室(AmesLaboratory)、普渡大学(PurdueUniversity)、宾夕法尼亚大学(UniversityofPennsylvania)。
目录
序Preface
前言Introduction
第1章原子多光子电离MultiphotonIonizationofAtoms
1.1引言Introduction
1.2原子多光子电离与光电子角分布Multiphotonionizationofatomsandphotoelectronangulardistributions
1.2.1历史回顾Historicaloverview
1.2.2多光子电离的基本概念Basicconceptofmultiphotonionizationofatoms
1.2.3铷原子的光电离通道Ionizationchannelsofrubidium
1.2.4线偏振光双光子电离与光电子角分布的传统测量Two-photonionizationbylinearly-polarizedlightandtraditionalmeasurementofPAD
1.2.5原子参数对光电子角分布的影响Theinfluenceoftheatomicparametersontheangulardistributions
1.2.6任意偏振光双光子电离光电子角分布理论TheoryofPADintwo-photonionizationwitharbitrarily-polarizedlight
1.3光电子成像实验Photoelectronimagingexperiments
1.3.1光学系统Opticalsystem
1.3.2光电子成像系统Photoelectronimagingsystem
1.3.3真空系统与原子束的产生Thevacuumsystemandgenerationofatomicbeam
1.3.4地球磁场的影响及消除Theinfluenceoftheearth'smagneticfieldanditscancellation
1.4铷原子双光子电离的完全测量Completemeasurementsoftwo-photonionizationinatomicrubidium
1.4.1历史背景Historicalbackground
1.4.2数据采集及光电子角分布(电子云)影像的形成DataacquisitionandtheformationofPADimages
1.4.3原子光电离参数的确定Determinationofatomicparameters
1.5本章小结Conclusions
参考文献References
第2章双通道光电离及量子干涉测量QuantumInterferenceMeasurementsbetweenTwoPhoto-ionizationProcesses
2.1量子干涉的基本概念及历史回顾Basicconceptofquantuminterferenceandhistoricaloverview
2.2光电子角分布的相位控制Phasecontrolovertheangulardistributionofphotoelectrons
2.3实验方法Experiment
2.3.1双色激光场实验装置及调整Experimentalset-upandadjustmentoftwocolorlaserfield
2.3.2相位延迟盒Thephasedelaycell
2.3.3紫外与可见光相位差的测量MeasurementofthephasedifferencebetweentheUVandvisiblefields
2.3.4实验条件与实验程序Conditionsandprocedureofexperiments
2.3.5紫外与可见光束相干匹配条件TheinterferencematchingconditionsofUVandvisiblebeams
2.4量子干涉测量与奇偶宇称连续波相位差的测定Determinationofthephasedifferencebetweenevenandoddcontinuumwavefunctionsthroughquantuminterferencemeasurements
2.4.1铷原子在相互垂直偏振的双色激光场光电离过程中光电子角分布PADbyionizingtherubidiumatomswithperpendicularly-polarizedtwo-colorlaserfield
2.4.2单光子跃迁矩之比R1/2=R3/2的测定Determinationoftheratioofone-photontransitionmomentsR1/2=R3/2
2.4.3p波和d波相位差的测定Determinationofphasedifferencebetweenp-andd-continuumwaves
2.4.4铷原子在相互平行偏振的双色激光场光电离过程中光电子角分布PADbyionizingtherubidiumatomswithparallel-polarizedtwo-colorlaserfield
2.5本章小结Conclusions
参考文献References
第3章激光光谱学的几个专题SelectedTopicsonLaserSpectroscopy
3.1用于激光光谱研究的一种高温炉Ahightemperatureovenforlaserspectroscopy
3.1.1引言Introduction
3.1.2实验方法Experiment
3.1.3铥的超精细分裂研究StudyofhyperfinesplittingofTm
3.2高分辨激光光谱在监测汽相金属中的应用Applicationofhigh-resolutionlaserspectroscopytothemonitoringofvapor-phasemetals
3.2.1引言Introduction
3.2.2原子束装置Atomicbeamapparatus
3.2.3原子的荧光激发谱Fluorescenceexcitationspectraofatoms
3.2.4激光原子吸收光谱Laseratomicabsorptionspectroscopy
3.2.5钐、钆、铥、钇的饱和吸收光谱SaturationspectroscopyofSm,Tm,GdandY
3.3分子的红外多光子光热吸收测量Theoptothermalmeasurementofinfraredmultiphotonabsorptionofmolecules
3.3.1实验方法Experiment
3.3.2CF3CDCF2分子多光子吸收峰的分裂与红移SplittingandredshiftofabsorptionspectrumofCF3CDCF2
3.4紫外共振拉曼光谱UltravioletresonanceRamanspectroscopy
3.4.1基本概念及历史背景Basicconceptandhistoricalbackground
3.4.2在217~400nm区间连续可调紫外共振拉曼光谱仪AtunableUVresonanceRamanspectrometerfor217~400nmspectralregion
3.4.3几种溶液的共振拉曼谱Ramanspectraofdifferenttypeofsolutions
3.5无多普勒展宽高分辨激光光谱Doppler-freehighresolutionlaserspectroscopy
3.5.1光谱线的自然宽度Naturallinewidthofspectrallines
3.5.2光谱线的多普勒展宽Dopplerbroadeningofspectrallines
3.5.3饱和吸收光谱Saturationspectroscopy
3.5.4偏振光谱Polarizationspectroscopy
3.5.5双光子吸收光谱Two-photonabsorptionspectroscopy
参考文献References
第4章分子的红外多光子离解InfraredMultiphotonDissociationofMolecules
4.1电子激发态C2自由基ElectronicallyexcitedC2radicals
4.1.1电子激发态C2自由基的形成FormationofelectronicallyexcitedC2radicals
4.1.2C*2d3∏g态的形成机制MechanismofformationofC*2d3∏gstate
4.2多光子离解过程中分子内的V-V能量转移V-Venergytransferinmultiphotondissociationprocess
4.2.1氟里昂113分子内的V-V能量转移V-VenergytransferofFreon113molecules
4.2.2氟里昂123分子内的V-V能量转移V-VenergytransferofFreon123molecules
4.3激光化学合成CI4晶体ChemicalsynthesisofcrystalgrainCI4
4.4在强红外激光场中分子的非统计离解行为NonstatisticaldissociationbehaviorofmoleculesinintenseIRfield
4.4.1实验方法Experiment
4.4.2产物的质谱分析Massspectraofphotoproducts
4.5激光分离13C同位素Laserisotopeseparationof13C
4.5.1实验方法Experiment
4.5.213C同位素浓缩系数和产率Enrichmentfactorandyieldof13C
参考文献References
第5章光学与激光技术OpticsandLaserTechnology
5.1脉冲激光测距仪Pulsedlaserrangefinder
5.1.1脉冲激光测距原理Principleofpulsedlaserrangefinder
5.1.2激光无标尺地形仪Laserrangefindertheodolite
5.1.3光学系统Opticalsystem
5.1.4三光轴调整Adjustmentofopticalaxis
5.1.5测距精度分析Accuracyanalysisofdistancemeasurement
5.2脉冲激光全息术Pulsedlaserholography
5.2.1全息摄影的基本原理Basicprincipleofholography
5.2.2全息干涉计量术Holographicinterferometry
5.2.3风洞流场全息干涉测量Interferometryofflowfieldsinwindtunnel
5.2.4流场的有限条纹与无限条纹干涉图Finiteandinfiniteinterferogramoftheflowfield
5.3法布里-珀罗干涉仪TheFabry-Perotinterferometer
5.3.1干涉环的形成与自由光谱区Fringesandfreespectrumrange
5.3.2艾里函数与条纹精细度Airyfunctionandfinesse
5.3.3干涉仪平板间距的确定Determinationofplateseparation
5.3.4光波长及光谱线宽测量Measurementsofwavelengthandlinewidth
5.3.5双标准具选模Modeselectionwithdoubleetalon
5.4拉曼-奈斯驻波声光调制器StandingwaveRaman-Nathacousto-opticmodulator
5.4.1零级光束调制度的计算与测量Calculationandmeasurementofzero-ordermodulationdegree
5.4.2匹配网络的优化Optimizationofmatchingnetwork
5.4.3等效阻抗的分析Analysisofequivalentimpedance
5.5光场偏振态的描述及操控Polarizationofopticalfieldanditscontrol
5.5.1偏振态的描述Descriptionofthestateofpolarization
5.5.2波片与菲涅耳棱镜WaveplateandFresnel'srhomb
5.5.3偏振态的控制Controlofthestateofpolarization
参考文献References
第6章非接触光学层析成像Non-contactOpticalTomography
6.1实验装置及其应用Experimentalapparatusanditsapplications
6.1.1系统设计Systemdesign
6.1.2系统性能评估Systemperformanceevaluation
6.1.3光学漫射层析成像Opticaldiffusetomography
6.1.4光学荧光层析成像Fluorescentopticaltomography
6.2大数据组光学漫射层析成像影像重构方法的实验验证Experimentaldemonstrationofananalyticmethodforimagereconstructioninopticaldiffusiontomographywithlargedatasets
6.3大数据组荧光光学层析成像Fluorescentopticaltomographywithlargedatasets
参考文献References
附录Appendix
A通过偏振器产生的椭圆偏振光强度表达式Pt=P0(|ε1|2sin2δ+|ε3|2cos2δ)的推导Derivationoftheexpressionfortheintensityofelliptically-polarizedlightpassingthroughapolarizerPt=P0(|ε1|2sin2δ+|ε3|2cos2δ)
B椭圆偏振光椭率参数|ε1|和|ε3|的确定Determinationofthepolarizationparameters|ε1|and|ε3|ofellipticityforelliptically-polarizedlight
Cs-,p-和d-分波间库仑相位差的推导DerivationofCoulombphasedifferencesbetweens-,p-andd-partialwaves
D量子亏损相位差的推导Derivationofquantumdefectphasedifferences
ECO2激光分子能级图与输出光谱线Energyleveldiagramoflow-lyingstatesofCO2andlaserwavelength
F拉曼-奈斯声光调制器M0-η0理论曲线的绘制说明ExplanationofM0-η0curvedrawingofRaman-Nathacousto-opticmodulator
GAJG75-1型激光无标尺地形仪测图报告及其在黄山索道工程中的应用ScalemapsurveyingreportonAJG75-1laserrangefindertheodoliteanditsapplication
主要名词术语英汉对照表EnglishandChineseglossary
精彩书摘
本章将介绍原子多光子电离,主要讨论不同偏振态激光与铷原子相互作用,通过测量光电子角分布来研究多光子电离过程。研究发现使用椭圆偏振光可以完全确定双光子电离过程中,包括激发到连续态的各离化通道的相对离化截面以及s和d分波波函数的相对相位等原子动力学参数。我们首先从原子多光子电离的基本概念出发进而讨论使用线偏振光测量光电子角分布的传统方法。然后给出在任意偏振光作用下双光子电离的光电子角分布理论推导,并指出使用椭圆偏振光的优越性。接着介绍实验装置和实验细节,特别是如何用一种特制的光电子成像装置记录光电子角分布(即电子云)。最后,我们详细讨论左右旋椭圆偏振光的铷原子双光子电离以及用这一特制的成像装置测量光电子角分布的实验方法。通过比较由实验和理论上得到的电子云影像可以完整地确定这三个离化参数。实验所得到的相对离化截面以及分波相位差与理论数据极为符合。这一结果同时也直接验证了由量子亏损理论得到的相位关系式。
Inthischapter,wediscussmultiphotonionizationofatomsandthedeterminationofatomicparametersthroughthemeasurementofthephotoelectronangulardistribution(PAD).Inparticular,usingellipticMly-polarizedlightforthesemeasurementsweareabletodeterminetheatomicparametersnecessarytounambiguouslydescribethetwo-photonionizationofatomicrubidium.Theseparametersincludetherelativecrosssectionsforvariousionizationchannelsaswellasthephasedifferencebetweensanddpartialwaves.Wewillbeginourdiscussionwiththebasicconceptofmultiphotonionizationoftheatom,andthenswitchovertothemeasurementofPADthroughtwo-photonionizationusinglinearly-polarizedlight.Afterward,wewillpresentatheoreticalderivationoftheangulardistributionwitharbitrarily-polarizedlightintermsofthesecrosssectionsandphases,demonstratetheadvantagesofusingelliptically-polarizedlightanddiscussdetailsoftheexperiment.Finally,wediscussaneffectivephotoelectronimagingtechnique,withwhichphotoelectronangulardistributions(i.e.electronclouds)arerecorded,aswellascompletemeasurementsoftwo-photonionizationinatomicrubidiumusingbothright-andleft-elliptically-polarizedlight.Theresultsshowthatwiththisapproachthethreeparameterscanbecompletelydetermined.Themeasuredphasedifferencesandrelativecrosssectionsforionizationintosanddchannelsareingoodagreementwiththeoreticaldata.Theagreementoftheseresultsisadirectexperimentalconfirmationoftherelationofquantumdefectphase.
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前言/序言
《量子纠缠与信息传递:微观世界的神秘连接》 内容简介: 本书将带领读者深入探索量子力学中最引人入胜的现象之一——量子纠缠,并在此基础上,阐述其在信息传递领域所展现出的革命性潜力。我们将从量子纠缠的基本概念出发,循序渐进地揭示其背后的物理原理,并着重介绍如何利用这种奇特的“幽灵般的超距作用”来实现安全、高效的信息传输。 第一章:量子纠缠的基石:叠加与不确定性 在深入量子纠缠之前,我们必须首先理解构成其基础的量子力学核心概念。本章将详细介绍量子叠加态,即一个量子系统可以同时处于多种可能状态的叠加。例如,一个电子的自旋可以同时是“上”和“下”,直到我们对其进行测量。我们将探讨著名的双缝干涉实验如何直观地展现了叠加态的波粒二象性,以及为什么量子叠加是构建纠缠态的必要条件。 随后,我们将引入海森堡不确定性原理。它指出,我们无法同时精确地知道一个粒子的某些成对的物理属性,例如其位置和动量。我们将通过对实验和理论的分析,解释不确定性原理的深刻含义,以及它如何限制我们对量子世界的认知,并为量子纠缠的不可预测性埋下伏笔。 第二章:量子纠缠的定义与量子态的描述 本章将正式引入量子纠缠的概念。我们将解释,当两个或多个量子系统之间产生关联,无论它们相距多远,它们的状态都无法被独立地描述,而必须被看作一个整体。这种状态的关联性就是量子纠缠。我们将使用量子力学的数学语言,如狄拉克符号,来描述量子态,并展示如何通过张量积来表示多粒子系统。 我们将重点分析EPR佯谬(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬)和贝尔不等式。EPR佯谬是爱因斯坦等人提出的一个思想实验,旨在质疑量子力学的完备性,并引出了对“定域实在论”的挑战。贝尔不等式则是约翰·贝尔提出的一个实验检验,用于区分量子力学与定域实在论。我们将详细讲解贝尔不等式的推导过程,以及实验结果如何有力地支持了量子纠缠的存在,并否定了定域实在论。 第三章:纠缠态的产生与操纵 理解了纠缠的概念,接下来的关键是如何在实验中产生和操纵纠缠态。本章将介绍多种产生纠缠态的方法,包括: 自发参量下转换(SPDC): 利用非线性光学晶体,高能光子可以自发地分裂成一对低能的纠缠光子。我们将阐述SPDC的物理机制,并介绍不同的晶体类型和泵浦光波长对产生纠缠光子对的影响。 原子与光子的相互作用: 通过让原子与光子发生精确的相互作用,也可以制备出纠缠态。我们将探讨单原子腔量子电动力学(Cavity QED)以及冷原子系统在制备纠缠态方面的优势。 超导量子比特: 在超导电路中,利用约瑟夫森结等元件可以构建出具有良好相干性的量子比特,并实现它们之间的纠缠。我们将简要介绍超导量子比特的工作原理及其在量子计算和量子信息领域的应用。 此外,本章还将讨论如何对纠缠态进行精确的操纵,例如通过激光脉冲、微波信号等控制量子比特的状态,以及如何进行量子态层析以表征所制备的纠缠态。 第四章:量子纠缠在信息传递中的应用 量子纠缠并非仅仅是理论上的奇观,它更是实现下一代信息技术的核心驱动力。本章将聚焦于量子纠缠在信息传递领域的革命性应用: 量子密钥分发(QKD): QKD利用量子力学原理,特别是量子叠加和纠缠,来生成和分发密码学密钥。我们将详细介绍基于纠缠的QKD协议,例如E91协议。其核心思想是,利用纠缠光子对的关联性来检测窃听行为。任何试图测量纠缠光子的窃听者都会不可避免地破坏纠缠态,从而被通信双方及时发现。我们将分析QKD的安全性理论基础,以及它与传统加密方法的本质区别。 量子隐形传态(Quantum Teleportation): 量子隐形传态并不是真正意义上的“物质传送”,而是将一个未知量子态从一个位置“传递”到另一个位置,而原有的量子态则被销毁。本章将深入剖析量子隐形传态的原理,展示如何利用一对预先共享的纠缠粒子,结合经典通信,来实现量子信息的无损传递。我们将讲解隐形传态的协议步骤,并探讨其在构建量子网络中的重要作用。 量子网络与量子互联网: 将多个量子设备连接起来,形成一个能够实现分布式量子计算和信息共享的量子网络,是未来的重要发展方向。我们将讨论如何利用量子纠缠作为连接节点的“量子信道”,以实现远距离的量子信息传输和存储。本章将探讨量子中继器(Quantum Repeater)的概念,它旨在克服量子信号在长距离传输中的衰减和退相干问题,为构建全球性的量子互联网奠定基础。 第五章:挑战与未来展望 尽管量子纠缠在信息传递方面展现出巨大的潜力,但其实现和应用仍面临诸多挑战。本章将对这些挑战进行深入剖析,并展望未来的发展方向: 退相干问题: 量子系统极易受到环境的干扰而发生退相干,导致纠缠态的破坏。我们将探讨影响退相干的因素,以及目前研究人员正在开发的各种抑制和修复退相干的技术,例如量子纠错码。 可扩展性问题: 构建大规模、高保真度的量子系统,以支持更复杂的量子信息处理和更广泛的量子网络,是一个巨大的工程挑战。我们将讨论在量子比特数量、连接性和控制精度方面的瓶颈,以及如何通过新型量子材料和器件设计来解决这些问题。 量子技术的融合: 将量子信息技术与现有的经典信息技术进行有效融合,是实现量子技术大规模应用的关键。本章将探讨量子算法在优化经典计算、材料科学、药物发现等领域的潜在应用,以及如何构建软硬件协同的量子信息处理平台。 安全性与伦理考量: 随着量子技术的飞速发展,其在信息安全、隐私保护以及潜在的军事应用等方面也将带来新的挑战和伦理问题。我们将简要探讨这些方面,并强调负责任的科学研究和技术发展的重要性。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的量子纠缠与信息传递的科普读物。通过对量子纠缠的理论基础、产生与操纵方法、以及在信息传递领域的创新应用的详细介绍,我们希望能够激发读者对微观世界神秘连接的兴趣,并了解这项正在深刻改变我们对信息和通信认知的革命性技术。