Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Оптические исследования играют все более возрастающую роль в ускорении научно-технического прогресса. Современное производство широко использует разнообразные оптические приборы и устройства для совершенствования существующих и создания качественно новых технологий, для решения сложнейших научно-технических проблем, для существенного расширения наших возможностей целенаправленно воздействовать на вещество, управлять происходящими в нем физическими процессами.

Оптические исследования – это прежде всего исследования физики взаимодействия света с веществом. Существуют три последовательных уровня рассмотрения указанного взаимодействия, три постепенно углубляющихся подхода: 1) классический, 2) полуклассический, 3) квантовый. На первом уровне оптическое излучение представляют в виде световых лучей или электромагнитных волн в соответствующем диапазоне частот, а вещество описывают с использованием понятий и аппарата механики сплошных сред, термодинамики, классической электродинамики. Иными словами, при данном подходе как свет, так и вещество рассматриваются в рамках классической физики. Полуклассический подход предполагает квантование вещества при сохранении классической трактовки света: классические световые волны взаимодействуют с коллективами атомов и молекул. Принимаются во внимание структура энергетических уровней атомов и молекул, энергетических зон кристаллов, статистика заселения различных квантовых состояний. Наконец, при квантовом подходе осуществляется квантование не только вещества, но и излучения; именно такой подход используется в квантовой электродинамике. Если при рассмотрении взаимодействия света с веществом на классическом и полуклассическом уровнях учитывается только волновая природа света, то на квантовом уровне принимаются во внимание также и его корпускулярные (квантовые) свойства. Это отвечает переходу от классической оптики, имеющей дело с лучами и световыми волнами, к оптике, которую естественно назвать квантовой оптикой. Одним из основных понятий этой оптики является фотон – квант светового поля, своеобразный "атом" световой волны.

Отметим, что многие вопросы физики взаимодействия света е веществом удается достаточно глубоко проанализировать на основе полуклассического подхода. В качестве примера укажем вынужденное испускание света, резонансную флуоресценцию, нелинейно-оптические явления. Даже такое сугубо "квантовое" явление, как фотоэффект, можно, оказывается, неплохо описать на полу классическом уровне. В связи с этим иногда высказывается мнение, что при рассмотрении взаимодействия света с веществом квантование светового поля, по сути дела, не обязательно – достаточно проквантовать только вещество. Такую точку зрения надо признать слишком категоричной. Отдавая должное большим возможностям полуклассического подхода, не следует их переоценивать. По самой своей сути этот подход внутренне непоследователенвещество и поле рассматривают здесь на разных уровнях. Ясно, что наиболее последовательным и глубоким с физической точки зрения является подход, при котором квантуются как вещество, так и излучение. Именно при таком подходе можно наиболее глубоко исследовать физическую природу света, а значит, и физику процессов взаимодействия света е веществом.

Относящиеся к квантовой оптике вопросы (фотонные представления; явления, в которых проявляются корпускулярные свойства излучения) освещаются с той или иной степенью полноты во всех современных учебных пособия" по физике. В вузовских курсах физики рассматриваются закономерности теплового излучения (от закона Кирхгофа до формулы Планка), сообщаются сведения о фотоэффекте, эффекте Комптона, фотохимическом действии света, дается объяснение испускания и поглощения света атомами на основе теории Бора. При более глубоком изучении физики студентов знакомят также с люминесцентными явлениями, эффектом Мессбауэра, многофотонными процессами, дают им некоторые сведения о квазичастицах в твердых телах. При этом авторы одних учебников пользуются термином "квантовая оптика", тогда как в других учебниках этот термин не применяется, а соответствующие вопросы собраны в главах, называемых "Тепловое излучение", "Световые кванты", "Действие света" и т.п. Дело в том, что в использовании термина "квантовая оптика" нет четкой договоренности. Согласно точке зрения, принятой в современной научной литературе, все отмечавшиеся выше вопросы – это еще не сама квантовая оптика, а всего лишь преддверие к ней. Собственно квантовая оптика занимается квантованием электромагнитного поля, анализом различных состояний квантованного поля, рассмотрением когерентных свойств света. В узком смысле слова квантовая оптика – довольно специальный раздел современной оптики, где на основе аппарата квантовой электродинамики анализируется степень когерентности оптического излучения и в связи с этим исследуются вопросы формирования оптических изображений, улучшения параметров оптических локационных систем, передачи информации по световому лучу и т.д.

После изложенных соображений, касающихся существа предмета (квантовой оптики), обратимся к данному учебному пособию. Оно состоит из четырех частей: 1. Развитие фотонных представлений. 2. Физика микрообъектов. 3. Квантово-оптические явления. 4. Теоретические основы квантовой оптики. В первой части на основе ставших классическими работ Планка, Бора, Эйнштейна рассматриваются рождение и становление квантовой теории света, излагаются свойства фотона и фотонных ансамблей, демонстрируется переход от волновых представлений к квантовым. Во второй части анализируются некоторые принципиальные вопросы квантовой физики; это позволяет объяснить интерференционные эффекты на корпускулярном языке. В третьей части приводятся необходимые сведения из физики твердого тела и затем обстоятельно рассматриваются три группы оптических явлений: фотоэлектрические, люминесцентные, нелинейно-оптические; эти явления иногда объединяют термином "квантово-оптические". Вопросы, излагаемые в указанных трех частях пособия, составляют содержание раздела, и, кроме того, входят в разделы "Элементы атомной физики и квантовой механики" и "Элементы квантовой статистики и физики твердого тела" в действующей программе курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений. В последней (четвертой) части пособия даются основы собственно квантовой оптики, включая вопросы вычисления вероятностей оптических переходов разной фотонной кратности и вопросы оптической когерентности. Эти вопросы выходят за рамки программы по физике для общетехнических вузов., но представляют интерес для педагогических вузов и специальностей оптического профиля.

Если строго следовать точке зрения на квантовую сотику, принятой в научной литературе, то данное пособие следовало бы озаглавить, например, так; "Фотонные представ ления и квантовая оптика". Мы предпочитаем, однако, в соответствии с традициями учебной физической литературы рассматривать фотонные представления – их развитие и использование для объяснения ряда оптических явлений как важный начальный этап в изучении квантовой оптики, органически связанный с ней. Это и предопределило выбор названия данного учебного пособия – "Введение в квантовую оптику".

Автор глубоко признателен докторам физико-математических наук, профессорам Д.Н.Клышко, А.М.Васильеву, И.Н.Компанцу, канд. техн. наук Г.Б.Ткачуку, канд. физ.-мат. наук А.А.Васильеву, прочитавшим рукопись и сделавшим ряд ценных замечаний.

Об авторе

Родился в 1934 году. Окончил Московский инженерно-физический институт в 1958 г. по специальности "Теоретическая ядерная физика". Кандидат физико-математических наук (1968), доцент (1969), профессор (1983). В 1989–1992 гг. – заведующий кафедрой методики преподавания предметов естественно-математического цикла в Московском институте повышения квалификации работников образования; в 1992-1998 гг. – заведующий кафедрой физики в Московском государственном открытом педагогическом университете. В 1994 г. награжден значком "Отличник народного просвещения" за разработку новой модели общеобразовательной школы "Экология и диалектика" и научное руководство межгосударственным педагогическим экспериментом по практической отработке этой модели.