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回复:【仅为醒目】用量子理论如何解释光的反射折射?

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为失谐量。
定义Bloch 矢量:

变换后则有

得到 光学Bloch方程:

和之前一样,设电偶极矩满足条件:
则有


28楼2014-04-01 23:17
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    现在来推导含相位项的光学Bloch 方程
    光场复振幅

    光场与体系相互作用的哈密顿

    密度矩阵运动方程变为:


    其中

    Bloch矢量形式上变为:

    即得出 含相位项的光学Bloch 方程


    29楼2014-04-02 16:44
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      接着推导 不含相位项的光学Bloch 方程
      此时不含相位,则有:


      密度矩阵方程:

      作旋转波近似 得

      其中

      不含相位项的光学Bloch 方程:

      可简写为:

      Rabi振荡频率:


      30楼2014-04-02 16:50
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        以上对 光学Bloch方程 进行了冗长的推导,为了稍微直观形象地理解,现在继续介绍 光学Bloch 方程的矢量模型。
        在上面内容的基础上,引入矢量:

        当 Γ1= Γ2= Γ,w_eq=1 时,光学 Bloch方程的矢量形式为

        与经典力学的的陀螺方程类比,显示 Bloch矢量在抽象空间中绕 β 轴旋转,转动方向由右手定则决定,转动的角频率等于β 轴的长度 |β| 。

        (非共振时布洛赫矢量旋转的几何图形)
        光学Bloch矢量旋转的角频率为


        32楼2014-04-02 17:03
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          忽略弛豫时间 Γ1= Γ2=0,Bloch方程简化为:

          无光场:

          共振: Δ=0

          非共振: Δ≠0

          讨论线偏振光作用情况:

          假定 共振 Δ=0,并 w_eq=1 ,Bloch方程解为


          (共振时布洛赫矢量旋转的几何图像)
          应用
          可得出

          由初始条

          可以看到 Ωt=π 时,上下能级发生一次交换,这就是 Rabi振荡 。


          33楼2014-04-02 17:16
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            忽略弛豫时间 Γ1= Γ2=0,Bloch方程简化为:

            无光场:

            共振: Δ=0

            非共振: Δ≠0

            讨论线偏振光作用情况:

            假定 共振 Δ=0,并 w_eq=1 ,Bloch方程解为


            (共振时布洛赫矢量旋转的几何图像)
            应用
            可得出

            由初始条

            可以看到 Ωt=π 时,上下能级发生一次交换,这就是 Rabi振荡 。


            34楼2014-04-02 17:17
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              考虑存在弛豫时间的情况,把 B 随时间变化分为两部分,一部分垂直于 (e1-e2) 平面,一部
              分平行于(e1-e2)平面。



              36楼2014-04-02 17:26
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                光学Bloch 方程的稳态解
                稳态条件:
                光学Bloch方程:

                解出为:


                37楼2014-04-02 17:28
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                  关于 光学Bloch方程 的内容,这里也就介绍这么多,对方程的求解属于求解常微分方程组的内容,其中一种方法是用Laplace变换。这里不再进行讲解。


                  38楼2014-04-02 17:31
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                    上面对量子光学的全量子方法与半经典方法都进行了过多赘述,可能让人摸不着头脑这与主题何关。我们在铺垫了些量子光学的知识后,回到主题来就方便开展真正对问题的描述。上面我们讨论了这么久的光学Bloch方程 是冷原子物理(AMO),还有量子信息研究的物理基础。
                    我们看到光学Bloch方程的解含有布居数相干项,虚部对应二能级原子对光的吸收率(和激发态布居数成正比),实部就对应相对介电常数(相折射率的平方)也就是np² 。
                    它实际描述的就是“吸收-受激辐射”这个过程。这个延迟的时间不是简单由自发辐射速率(或者说是激发态的寿命的倒数)决定的。对于实部和虚部来说,分子和分母上都有和相关的项,但是在近共振时可以忽略。而虚部在分子上直接有,实部没有。
                    由于布居数相干项 ρ21 本身是频率的函数,所以它的实部同时解释了“相折射率”和“色散”的起源,这也就意味着解释了群折射率的起源。对于多能级原子系统,亦会用光学Bloch方程(计算情况更复杂),所以原子系统的折射率起源可以在量子层面得到很好解释。但实际上在一些凝聚态光学介质中,情况就十分复杂。除了系统是多能级外,还存晶格对自发辐射光子的衍射等等一系列过程,因此折射率起源会复杂很多,光学Bloch方程就不够用了。但原则上都是量子过程,可以通过ab initio计算得到折射率,只不过难以列方程和计算。就如同量子化学中计算一些小分子很容易,而越大的分子越困难的情形。


                    39楼2014-04-02 17:49
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                      所以,通过量子光学的计算,可以去从原子与光作用的微观层面去解释折射率,以及反射率。而实际上,反射的时候就有一种现象体现了这种微观机制,那就是反射时候产生“隐失波”现象。
                      这里直接引用百度百科的文字介绍:
                      隐失波(evanescent wave)研究发现,物体受光波照射后,离开物体表面的光波分为两种成份:一部分光向远方传播,这是传统光学显微镜能接收的信息;而另一部分光波只能沿物体表面传播,一旦离开表面就很快衰减。从几何光学的角度来看,当发生全反射时,光会在玻璃界面上完全反射而不进入液体溶液中。实际上,由于波动效应,有一部分光的能量会穿过界面渗透到溶液中,平行于界面传播。这部分光就是所谓的隐失波 。
                      隐失波还有另外一种解释:对于一个有限大小的物体,其空间频谱是无限延伸的。其中低频分量为传输波分量,高频分量为隐失波分量。即隐失波分量反映物体的细节信息,通过恢复物体的隐失波分量可以实现物体的亚波长成像。全反射时,光波不是绝对在界面上被反射回第一介质,而是透入第二介质大约一个波长的深度,并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质,沿着反射光方向射出。这个沿着第二介质表面流动的波称为隐失波,曾称倏逝波。隐失波离开表面的衰减是呈指数形式的。
                      最后要指出的是,介质中的相折射率和群折射率都可以小于1,这意味着在介质中光无论相速度或群速度都可以大于真空中的光速c,但请放心,这个“超光速”是casual的,不会违反狭义相对论**。用多能级原子气体做超光速的实验非常多,而且还能让群速度为零(如EIT:electromagnetic-inducedtransparency),甚至能把群速度降为负数。


                      40楼2014-04-02 18:06
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                        群速度的问题在相吧有贴很详细讲这个:http://tieba.baidu.com/p/2909873584?share=9105


                        42楼2014-04-02 18:44
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                          找到原帖了,下车后慢慢吸收


                          IP属地:湖南来自Android客户端43楼2014-04-05 09:47
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                            其实简单点可以从路径积分去理解,参见费曼的科普读物《QED:光和物质的奇妙理论》


                            IP属地:安徽44楼2014-04-13 15:58
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                              表示看不懂,没有数学相当基础的人是没有办法看的,我估计LZ也未必能懂,可能是抄下来的吧,没有人能看懂的东西有何意义呢!为何不靠自己的理解通俗的来讲解一下呢?我看方程式和公式就不必再出现了!这样我感觉价值会更好!毕竟我们不是搞高端研究的,还有留更多的脑细胞去享受生活呢!


                              IP属地:陕西45楼2014-04-20 23:35
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