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超快量子光电子学

超快量子光电子学. 周建英 2004.05.18. 信息光子学改变了人们的 通讯 、交流与生活方式 : 光纤是互联网数据传输的 “信息高速公路”；激光是信息的“载体”。 知识经济的标志：信息科技的发展 信息科学的发展标志：光子信号替代电子信号处理. 激光的出现改变了工业加工方法； 改变了现代战争方式； 改变了科学研究方法； 改变了医学诊断治疗方法； 改变了世界的许多方方面面。. 改变世界的光子学. 世界面临的重大科技问题期待着在光子学方面找到出路： 1 能源问题 ：光能是最古老、最有效、最安全的能源方。

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超快量子光电子学

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Presentation Transcript

  1. 超快量子光电子学 周建英 2004.05.18

  2. 信息光子学改变了人们的通讯、交流与生活方式: 光纤是互联网数据传输的 “信息高速公路”；激光是信息的“载体”。 知识经济的标志：信息科技的发展 信息科学的发展标志：光子信号替代电子信号处理 激光的出现改变了工业加工方法； 改变了现代战争方式； 改变了科学研究方法； 改变了医学诊断治疗方法； 改变了世界的许多方方面面。 改变世界的光子学

  3. 世界面临的重大科技问题期待着在光子学方面找到出路：世界面临的重大科技问题期待着在光子学方面找到出路： 1 能源问题：光能是最古老、最有效、最安全的能源方。 地球上的一切能源均直接或间接地来自于太阳能 ----------问题：光子能量的存储、控制与利用 2 农业问题：水稻与植物的光合作用过程 ------------光合作用，我们到底知道多少？ 3 信息问题：信息的传输、处理与利用，光子计算机 ------------信息容量极限？需要全光光子器件吗？ 4 健康问题：从诊断到治疗的革命 ------------光子成像，激光治疗，美容校正，…. 5 军事问题：抢占军事制高点： -----------激光制导、激光拦截、激光致盲、激光武器 6 科学问题： -----------激光核聚变，极端条件下的物理状态 …..

  4. 引言篇 超快量子光学导论

  5. 基本科学问题： • 1 光子能存储吗？ • 光子能静止吗？ • 光子能穿透墙壁吗？ • 原子的自发辐射寿命可以控制吗？ • 未来的量子通讯可能吗？ • 新一代光子物理与技术如何解决“硬件”问题？ • “光合作用”的基本物理化学过程是什麽？ • “视觉过程”是如何工作的？ • 光可以控制化学反应的方向与化学反应产物吗？ • ……. • 解决方法：利用光子的相干特性

  6. 超快量子光子学的研究内容 • 光子学：研究光子行为 • 量子光子学：研究光子与量子力学体系相互作用的行为 • 超快量子光子学：研究超短激光脉冲与物质相互作用的行为 • 涉及海量与高速信息光子学发展的基础知识，是科技发展的前沿与主流 （Nature, Science等杂志光子学论文占相当比重）

  7. 什么是相干？ 定义：相干是指体系的各个子集之间存在着逻辑，有序 或美学间的关联。 相干态：物理学上的相干态是指体系的各个部分在相位上 存在的某种关联。 如相干光场——激光 相干物质波——玻色—爱恩斯坦凝聚 相干波包——化学反应的本质 …………

  8. 社会科学中的相干性: 相干性是社会变迁的动力,是革命的基本方法 造反者利用社会相干性发动群众 当权者淡化相干,影响相干,极化(POLARIZE)相干 股票市场上的心理效应导致股市的起伏 神经病是大脑神经单元的部分相干取向所致 高速公路上行驶的汽车也有相干特性 大雁飞行也是相干的 多米诺骨牌: 相干效应感觉爽 古代谚语：“人心齐，泰山移”。…………..

  9. 自然科学中的相干性： • 爱因斯坦的受激吸收与受激辐射概念的提出：激光理论基础 • 核磁共振 • 全息照相 • 激光器的出现 • 非线性光学与非线性光谱学 • 霍尔效应与分数量子霍尔效应 • 激光的原子冷却 • 飞秒相干光化学 • 玻色-爱因斯坦凝聚 • 高温超导——超导机理研究？ • 光合作用——能量与电子的传输机理？ • ……………..

  10. 相干性的数学描述: 相干性是一个统计平均现象,需要对所研究的体系作统计平均: 量子力学力学量电偶极子的统计平均值 上式既可以对时间平均，也可以对多个测量对象取平均。 取值大小取决于波函数的相位相干性

  11. Coherence in Photonic World coherence in photonic world coherence in photonic wworld

  12. 相干性特征 • 相干态既可以是相干光场（相干场），也可以是相干物质波（相干态） • 相干光场与相干态可以相互作用与相互转换。如相干光场可以转换为物质体系的极化激元，极化激元也可以转换为光子辐射 • 极化激元可以随光场传输，也可以在材料中长时间停留，导致光子能量的局域化与光能存储 • 量子光子信息的基本原理就是利用光子信息与物质体系极化子间的相互转换与控制。量子光子器件也称为未来超高速、宽带信息光子学的“硬件”。

  13. 相干态的产生方法： • 用外场诱导体系，使系统处于相干态。 • 产生相干态的最有效方法 • 1 用受激诱导辐射制备“激光” • 2 用超短巨脉冲激发物质体系 • 3 使系统长时间处于受迫态 • 4 定期、定点激发物质体系 • （激光锁模） • 5 制造理想的物质体系 • （自然界的多米诺骨牌）

  14. 关于相干态产生方法的若干说明： • 1 相干态起源于产生于两个或两个以上能级的粒子波函数 • 间的跃迁； • 2 处于定态的原子波函数没有相干态； • 3 相干态以原子的跃迁频率快速振荡； • 4 相干态本身可随激发场的振幅变化而变化； 5 相干态对应于原子系综，是统计平均行为； • 6 在激发场撤离后，相干态仍然可以延续，延续时间由 • 相干态的寿命决定，这一寿命不同于原子在上能级的 • 停留时间； • 7 相同与不同频率的相干态之间可以产生干涉，相干态 • 也可以向外辐射，产生相干辐射。

  15. 相干时间有多长？ 取决于所研究的现象： • 社会现象的相干性可以延续若干年 • 原子团簇的相干性：波色－爱因斯坦凝聚：秒的量级 • 原子自旋的相干性：核磁共振，毫秒量级 • 电子跃迁的相干性： 稀薄气体： 微秒－纳秒量级 凝聚态介质： 内层电子间的跃迁：纳秒－皮秒量级 外层电子间的跃迁：皮秒－飞秒量级 内壳层－电离层间的跃迁：飞秒－阿秒量级

  16. 相干态的测量方法 • 直接测量相干态的相干辐射 • 采用相关测量法相干态 说明：直接测量法不能测量相干态的快变成分 相关测量法可用于振幅与相位的测量

  17. 量子光学中的相干态应用举例 • 自感应透明：光子可以透过吸收体 • 电磁诱导透明：光子可以减速，光子可以静止（以极化子的能量形式） • 量子干涉：化学反应方向可以控制 • 原子减速与原子凝聚：构成新的物质态 • 超快量子光子器件：“硬件”有史无前例的响应速度 • 量子通讯与量子计算：明日的信息科技 • 迈向利用与开发“光合作用”“视觉过程”等高速、高效自然界过程的新台阶

  18. 相干态应用举例：量子光子管研究 光子管应用基础： • 低工作阈值； • 低功率损耗； • 器件可集成； • 足够的弱光放大系数； • 超快相应速度

  19. 使用主动型光子晶体的量子效应有望解决量子光子管的使用主动型光子晶体的量子效应有望解决量子光子管的 若干重要问题： 1 低阈值：毫瓦级的平均功率 2 超快速相应速度： 1－2皮秒 3 可以集成：体积仅为几个微米 4 关键问题：增益从何而来？

  20. 本课题组研究进展 • 在RARB中适当能量的光子可以存储 Xiao et al, Opt Express, 2003. • 光子存储的条件：原子层需有有限宽度 邵惠国等 • 存储的相干光子可以释放 邵惠国、朱健，李俊涛等 • 在布拉格光纤中的理论与实验研究：正在开展 • 将1－D的研究结果扩展到2D或3D：拟开展

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