編輯推薦
《光場中的原子分子及激光技術》通過研究通過試驗詳細討論瞭原子分子和激光的技術。也可作為從事原子分子物理、激光光學、光物理、光化學和光學層析成像研究的廣大科技工作者,以及相關專業的大學教師、研究生與大學生的資料。
內容簡介
《光場中的原子分子及激光技術》係統論述瞭原子多光子電離的相關理論基礎和研究方法,詳細討論瞭用光電子成像裝置測量光電子角分布來研究原子光電離的特徵,重點講述瞭如何在實驗上獲得電子雲影像並由此確定原子光離化參數以及研究奇偶宇稱躍遷過程的量子乾涉。《光場中的原子分子及激光技術》還以相當的篇幅介紹瞭原子激光光譜和分子紅外多光子離解研究的某些專題,詳細討論瞭無多普勒展寬高分辨激光光譜學的基本原理與研究方法。光學與激光技術方麵的內容包括激光測距、風洞流場全息乾涉測量以及法布裏-珀羅乾涉儀(標準具)在光波長與光譜綫寬測量、激光縱模選擇等方麵的原理及應用。末尾一章介紹在光學層析成像領域的新研究成果。並詳細闡述瞭基於激光二維掃描係統和CCD照相機的非接觸光學層析成像實驗裝置及其在光學漫射層析成像和光學熒光層析成像中的應用。
《光場中的原子分子及激光技術》讀者範圍包括從事原子分子物理、激光光學、光物理、光化學和光學層析成像研究的廣大科技工作者,以及相關專業的大學教師、研究生與大學生。
作者簡介
汪正民(Zheng-MinWang),美國普渡大學物理學哲學博士。主要在以下大學和研究機構學習、從事教學與研究工作:南京大學、中國科學技術大學、中國科學院安徽光學精密機械研究所、美國埃姆斯國傢實驗室(AmesLaboratory)、普渡大學(PurdueUniversity)、賓夕法尼亞大學(UniversityofPennsylvania)。
目錄
序Preface
前言Introduction
第1章原子多光子電離MultiphotonIonizationofAtoms
1.1引言Introduction
1.2原子多光子電離與光電子角分布Multiphotonionizationofatomsandphotoelectronangulardistributions
1.2.1曆史迴顧Historicaloverview
1.2.2多光子電離的基本概念Basicconceptofmultiphotonionizationofatoms
1.2.3銣原子的光電離通道Ionizationchannelsofrubidium
1.2.4綫偏振光雙光子電離與光電子角分布的傳統測量Two-photonionizationbylinearly-polarizedlightandtraditionalmeasurementofPAD
1.2.5原子參數對光電子角分布的影響Theinfluenceoftheatomicparametersontheangulardistributions
1.2.6任意偏振光雙光子電離光電子角分布理論TheoryofPADintwo-photonionizationwitharbitrarily-polarizedlight
1.3光電子成像實驗Photoelectronimagingexperiments
1.3.1光學係統Opticalsystem
1.3.2光電子成像係統Photoelectronimagingsystem
1.3.3真空係統與原子束的産生Thevacuumsystemandgenerationofatomicbeam
1.3.4地球磁場的影響及消除Theinfluenceoftheearth'smagneticfieldanditscancellation
1.4銣原子雙光子電離的完全測量Completemeasurementsoftwo-photonionizationinatomicrubidium
1.4.1曆史背景Historicalbackground
1.4.2數據采集及光電子角分布(電子雲)影像的形成DataacquisitionandtheformationofPADimages
1.4.3原子光電離參數的確定Determinationofatomicparameters
1.5本章小結Conclusions
參考文獻References
第2章雙通道光電離及量子乾涉測量QuantumInterferenceMeasurementsbetweenTwoPhoto-ionizationProcesses
2.1量子乾涉的基本概念及曆史迴顧Basicconceptofquantuminterferenceandhistoricaloverview
2.2光電子角分布的相位控製Phasecontrolovertheangulardistributionofphotoelectrons
2.3實驗方法Experiment
2.3.1雙色激光場實驗裝置及調整Experimentalset-upandadjustmentoftwocolorlaserfield
2.3.2相位延遲盒Thephasedelaycell
2.3.3紫外與可見光相位差的測量MeasurementofthephasedifferencebetweentheUVandvisiblefields
2.3.4實驗條件與實驗程序Conditionsandprocedureofexperiments
2.3.5紫外與可見光束相乾匹配條件TheinterferencematchingconditionsofUVandvisiblebeams
2.4量子乾涉測量與奇偶宇稱連續波相位差的測定Determinationofthephasedifferencebetweenevenandoddcontinuumwavefunctionsthroughquantuminterferencemeasurements
2.4.1銣原子在相互垂直偏振的雙色激光場光電離過程中光電子角分布PADbyionizingtherubidiumatomswithperpendicularly-polarizedtwo-colorlaserfield
2.4.2單光子躍遷矩之比R1/2=R3/2的測定Determinationoftheratioofone-photontransitionmomentsR1/2=R3/2
2.4.3p波和d波相位差的測定Determinationofphasedifferencebetweenp-andd-continuumwaves
2.4.4銣原子在相互平行偏振的雙色激光場光電離過程中光電子角分布PADbyionizingtherubidiumatomswithparallel-polarizedtwo-colorlaserfield
2.5本章小結Conclusions
參考文獻References
第3章激光光譜學的幾個專題SelectedTopicsonLaserSpectroscopy
3.1用於激光光譜研究的一種高溫爐Ahightemperatureovenforlaserspectroscopy
3.1.1引言Introduction
3.1.2實驗方法Experiment
3.1.3銩的超精細分裂研究StudyofhyperfinesplittingofTm
3.2高分辨激光光譜在監測汽相金屬中的應用Applicationofhigh-resolutionlaserspectroscopytothemonitoringofvapor-phasemetals
3.2.1引言Introduction
3.2.2原子束裝置Atomicbeamapparatus
3.2.3原子的熒光激發譜Fluorescenceexcitationspectraofatoms
3.2.4激光原子吸收光譜Laseratomicabsorptionspectroscopy
3.2.5釤、釓、銩、釔的飽和吸收光譜SaturationspectroscopyofSm,Tm,GdandY
3.3分子的紅外多光子光熱吸收測量Theoptothermalmeasurementofinfraredmultiphotonabsorptionofmolecules
3.3.1實驗方法Experiment
3.3.2CF3CDCF2分子多光子吸收峰的分裂與紅移SplittingandredshiftofabsorptionspectrumofCF3CDCF2
3.4紫外共振拉曼光譜UltravioletresonanceRamanspectroscopy
3.4.1基本概念及曆史背景Basicconceptandhistoricalbackground
3.4.2在217~400nm區間連續可調紫外共振拉曼光譜儀AtunableUVresonanceRamanspectrometerfor217~400nmspectralregion
3.4.3幾種溶液的共振拉曼譜Ramanspectraofdifferenttypeofsolutions
3.5無多普勒展寬高分辨激光光譜Doppler-freehighresolutionlaserspectroscopy
3.5.1光譜綫的自然寬度Naturallinewidthofspectrallines
3.5.2光譜綫的多普勒展寬Dopplerbroadeningofspectrallines
3.5.3飽和吸收光譜Saturationspectroscopy
3.5.4偏振光譜Polarizationspectroscopy
3.5.5雙光子吸收光譜Two-photonabsorptionspectroscopy
參考文獻References
第4章分子的紅外多光子離解InfraredMultiphotonDissociationofMolecules
4.1電子激發態C2自由基ElectronicallyexcitedC2radicals
4.1.1電子激發態C2自由基的形成FormationofelectronicallyexcitedC2radicals
4.1.2C*2d3∏g態的形成機製MechanismofformationofC*2d3∏gstate
4.2多光子離解過程中分子內的V-V能量轉移V-Venergytransferinmultiphotondissociationprocess
4.2.1氟裏昂113分子內的V-V能量轉移V-VenergytransferofFreon113molecules
4.2.2氟裏昂123分子內的V-V能量轉移V-VenergytransferofFreon123molecules
4.3激光化學閤成CI4晶體ChemicalsynthesisofcrystalgrainCI4
4.4在強紅外激光場中分子的非統計離解行為NonstatisticaldissociationbehaviorofmoleculesinintenseIRfield
4.4.1實驗方法Experiment
4.4.2産物的質譜分析Massspectraofphotoproducts
4.5激光分離13C同位素Laserisotopeseparationof13C
4.5.1實驗方法Experiment
4.5.213C同位素濃縮係數和産率Enrichmentfactorandyieldof13C
參考文獻References
第5章光學與激光技術OpticsandLaserTechnology
5.1脈衝激光測距儀Pulsedlaserrangefinder
5.1.1脈衝激光測距原理Principleofpulsedlaserrangefinder
5.1.2激光無標尺地形儀Laserrangefindertheodolite
5.1.3光學係統Opticalsystem
5.1.4三光軸調整Adjustmentofopticalaxis
5.1.5測距精度分析Accuracyanalysisofdistancemeasurement
5.2脈衝激光全息術Pulsedlaserholography
5.2.1全息攝影的基本原理Basicprincipleofholography
5.2.2全息乾涉計量術Holographicinterferometry
5.2.3風洞流場全息乾涉測量Interferometryofflowfieldsinwindtunnel
5.2.4流場的有限條紋與無限條紋乾涉圖Finiteandinfiniteinterferogramoftheflowfield
5.3法布裏-珀羅乾涉儀TheFabry-Perotinterferometer
5.3.1乾涉環的形成與自由光譜區Fringesandfreespectrumrange
5.3.2艾裏函數與條紋精細度Airyfunctionandfinesse
5.3.3乾涉儀平闆間距的確定Determinationofplateseparation
5.3.4光波長及光譜綫寬測量Measurementsofwavelengthandlinewidth
5.3.5雙標準具選模Modeselectionwithdoubleetalon
5.4拉曼-奈斯駐波聲光調製器StandingwaveRaman-Nathacousto-opticmodulator
5.4.1零級光束調製度的計算與測量Calculationandmeasurementofzero-ordermodulationdegree
5.4.2匹配網絡的優化Optimizationofmatchingnetwork
5.4.3等效阻抗的分析Analysisofequivalentimpedance
5.5光場偏振態的描述及操控Polarizationofopticalfieldanditscontrol
5.5.1偏振態的描述Descriptionofthestateofpolarization
5.5.2波片與菲涅耳棱鏡WaveplateandFresnel'srhomb
5.5.3偏振態的控製Controlofthestateofpolarization
參考文獻References
第6章非接觸光學層析成像Non-contactOpticalTomography
6.1實驗裝置及其應用Experimentalapparatusanditsapplications
6.1.1係統設計Systemdesign
6.1.2係統性能評估Systemperformanceevaluation
6.1.3光學漫射層析成像Opticaldiffusetomography
6.1.4光學熒光層析成像Fluorescentopticaltomography
6.2大數據組光學漫射層析成像影像重構方法的實驗驗證Experimentaldemonstrationofananalyticmethodforimagereconstructioninopticaldiffusiontomographywithlargedatasets
6.3大數據組熒光光學層析成像Fluorescentopticaltomographywithlargedatasets
參考文獻References
附錄Appendix
A通過偏振器産生的橢圓偏振光強度錶達式Pt=P0(|ε1|2sin2δ+|ε3|2cos2δ)的推導Derivationoftheexpressionfortheintensityofelliptically-polarizedlightpassingthroughapolarizerPt=P0(|ε1|2sin2δ+|ε3|2cos2δ)
B橢圓偏振光橢率參數|ε1|和|ε3|的確定Determinationofthepolarizationparameters|ε1|and|ε3|ofellipticityforelliptically-polarizedlight
Cs-,p-和d-分波間庫侖相位差的推導DerivationofCoulombphasedifferencesbetweens-,p-andd-partialwaves
D量子虧損相位差的推導Derivationofquantumdefectphasedifferences
ECO2激光分子能級圖與輸齣光譜綫Energyleveldiagramoflow-lyingstatesofCO2andlaserwavelength
F拉曼-奈斯聲光調製器M0-η0理論麯綫的繪製說明ExplanationofM0-η0curvedrawingofRaman-Nathacousto-opticmodulator
GAJG75-1型激光無標尺地形儀測圖報告及其在黃山索道工程中的應用ScalemapsurveyingreportonAJG75-1laserrangefindertheodoliteanditsapplication
主要名詞術語英漢對照錶EnglishandChineseglossary
精彩書摘
本章將介紹原子多光子電離,主要討論不同偏振態激光與銣原子相互作用,通過測量光電子角分布來研究多光子電離過程。研究發現使用橢圓偏振光可以完全確定雙光子電離過程中,包括激發到連續態的各離化通道的相對離化截麵以及s和d分波波函數的相對相位等原子動力學參數。我們首先從原子多光子電離的基本概念齣發進而討論使用綫偏振光測量光電子角分布的傳統方法。然後給齣在任意偏振光作用下雙光子電離的光電子角分布理論推導,並指齣使用橢圓偏振光的優越性。接著介紹實驗裝置和實驗細節,特彆是如何用一種特製的光電子成像裝置記錄光電子角分布(即電子雲)。最後,我們詳細討論左右鏇橢圓偏振光的銣原子雙光子電離以及用這一特製的成像裝置測量光電子角分布的實驗方法。通過比較由實驗和理論上得到的電子雲影像可以完整地確定這三個離化參數。實驗所得到的相對離化截麵以及分波相位差與理論數據極為符閤。這一結果同時也直接驗證瞭由量子虧損理論得到的相位關係式。
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.
……
前言/序言
《量子糾纏與信息傳遞:微觀世界的神秘連接》 內容簡介: 本書將帶領讀者深入探索量子力學中最引人入勝的現象之一——量子糾纏,並在此基礎上,闡述其在信息傳遞領域所展現齣的革命性潛力。我們將從量子糾纏的基本概念齣發,循序漸進地揭示其背後的物理原理,並著重介紹如何利用這種奇特的“幽靈般的超距作用”來實現安全、高效的信息傳輸。 第一章:量子糾纏的基石:疊加與不確定性 在深入量子糾纏之前,我們必須首先理解構成其基礎的量子力學核心概念。本章將詳細介紹量子疊加態,即一個量子係統可以同時處於多種可能狀態的疊加。例如,一個電子的自鏇可以同時是“上”和“下”,直到我們對其進行測量。我們將探討著名的雙縫乾涉實驗如何直觀地展現瞭疊加態的波粒二象性,以及為什麼量子疊加是構建糾纏態的必要條件。 隨後,我們將引入海森堡不確定性原理。它指齣,我們無法同時精確地知道一個粒子的某些成對的物理屬性,例如其位置和動量。我們將通過對實驗和理論的分析,解釋不確定性原理的深刻含義,以及它如何限製我們對量子世界的認知,並為量子糾纏的不可預測性埋下伏筆。 第二章:量子糾纏的定義與量子態的描述 本章將正式引入量子糾纏的概念。我們將解釋,當兩個或多個量子係統之間産生關聯,無論它們相距多遠,它們的狀態都無法被獨立地描述,而必須被看作一個整體。這種狀態的關聯性就是量子糾纏。我們將使用量子力學的數學語言,如狄拉剋符號,來描述量子態,並展示如何通過張量積來錶示多粒子係統。 我們將重點分析EPR佯謬(愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬)和貝爾不等式。EPR佯謬是愛因斯坦等人提齣的一個思想實驗,旨在質疑量子力學的完備性,並引齣瞭對“定域實在論”的挑戰。貝爾不等式則是約翰·貝爾提齣的一個實驗檢驗,用於區分量子力學與定域實在論。我們將詳細講解貝爾不等式的推導過程,以及實驗結果如何有力地支持瞭量子糾纏的存在,並否定瞭定域實在論。 第三章:糾纏態的産生與操縱 理解瞭糾纏的概念,接下來的關鍵是如何在實驗中産生和操縱糾纏態。本章將介紹多種産生糾纏態的方法,包括: 自發參量下轉換(SPDC): 利用非綫性光學晶體,高能光子可以自發地分裂成一對低能的糾纏光子。我們將闡述SPDC的物理機製,並介紹不同的晶體類型和泵浦光波長對産生糾纏光子對的影響。 原子與光子的相互作用: 通過讓原子與光子發生精確的相互作用,也可以製備齣糾纏態。我們將探討單原子腔量子電動力學(Cavity QED)以及冷原子係統在製備糾纏態方麵的優勢。 超導量子比特: 在超導電路中,利用約瑟夫森結等元件可以構建齣具有良好相乾性的量子比特,並實現它們之間的糾纏。我們將簡要介紹超導量子比特的工作原理及其在量子計算和量子信息領域的應用。 此外,本章還將討論如何對糾纏態進行精確的操縱,例如通過激光脈衝、微波信號等控製量子比特的狀態,以及如何進行量子態層析以錶徵所製備的糾纏態。 第四章:量子糾纏在信息傳遞中的應用 量子糾纏並非僅僅是理論上的奇觀,它更是實現下一代信息技術的核心驅動力。本章將聚焦於量子糾纏在信息傳遞領域的革命性應用: 量子密鑰分發(QKD): QKD利用量子力學原理,特彆是量子疊加和糾纏,來生成和分發密碼學密鑰。我們將詳細介紹基於糾纏的QKD協議,例如E91協議。其核心思想是,利用糾纏光子對的關聯性來檢測竊聽行為。任何試圖測量糾纏光子的竊聽者都會不可避免地破壞糾纏態,從而被通信雙方及時發現。我們將分析QKD的安全性理論基礎,以及它與傳統加密方法的本質區彆。 量子隱形傳態(Quantum Teleportation): 量子隱形傳態並不是真正意義上的“物質傳送”,而是將一個未知量子態從一個位置“傳遞”到另一個位置,而原有的量子態則被銷毀。本章將深入剖析量子隱形傳態的原理,展示如何利用一對預先共享的糾纏粒子,結閤經典通信,來實現量子信息的無損傳遞。我們將講解隱形傳態的協議步驟,並探討其在構建量子網絡中的重要作用。 量子網絡與量子互聯網: 將多個量子設備連接起來,形成一個能夠實現分布式量子計算和信息共享的量子網絡,是未來的重要發展方嚮。我們將討論如何利用量子糾纏作為連接節點的“量子信道”,以實現遠距離的量子信息傳輸和存儲。本章將探討量子中繼器(Quantum Repeater)的概念,它旨在剋服量子信號在長距離傳輸中的衰減和退相乾問題,為構建全球性的量子互聯網奠定基礎。 第五章:挑戰與未來展望 盡管量子糾纏在信息傳遞方麵展現齣巨大的潛力,但其實現和應用仍麵臨諸多挑戰。本章將對這些挑戰進行深入剖析,並展望未來的發展方嚮: 退相乾問題: 量子係統極易受到環境的乾擾而發生退相乾,導緻糾纏態的破壞。我們將探討影響退相乾的因素,以及目前研究人員正在開發的各種抑製和修復退相乾的技術,例如量子糾錯碼。 可擴展性問題: 構建大規模、高保真度的量子係統,以支持更復雜的量子信息處理和更廣泛的量子網絡,是一個巨大的工程挑戰。我們將討論在量子比特數量、連接性和控製精度方麵的瓶頸,以及如何通過新型量子材料和器件設計來解決這些問題。 量子技術的融閤: 將量子信息技術與現有的經典信息技術進行有效融閤,是實現量子技術大規模應用的關鍵。本章將探討量子算法在優化經典計算、材料科學、藥物發現等領域的潛在應用,以及如何構建軟硬件協同的量子信息處理平颱。 安全性與倫理考量: 隨著量子技術的飛速發展,其在信息安全、隱私保護以及潛在的軍事應用等方麵也將帶來新的挑戰和倫理問題。我們將簡要探討這些方麵,並強調負責任的科學研究和技術發展的重要性。 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的量子糾纏與信息傳遞的科普讀物。通過對量子糾纏的理論基礎、産生與操縱方法、以及在信息傳遞領域的創新應用的詳細介紹,我們希望能夠激發讀者對微觀世界神秘連接的興趣,並瞭解這項正在深刻改變我們對信息和通信認知的革命性技術。