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量子光学导论--单光子和双光子物理

作者:史砚华 著

出版社: 高等教育出版社

出版年:2016-3

页数:374

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本书由国际知名学者、本领域先驱精心撰著,对光量子理论的基本原理和实验验证进行简明直接的归纳总结。本书着重对迄今为止在量子光学和量子信息领域为激动人心的一些实验研究进行介绍和分析,帮助读者理解光学领域正在发生的革命性变化。

本书是马里兰大学物理教授史砚华博士(Prof.Dr.Yanhua Shih)的一本极重要的量子光学专著,原书英文。它原是史砚华教授在马大给高年级研究生和博士生讲授量子光学课的授课笔记。史教授的这门研究生课中,在大量的量子光学全新理论成果及实验研究的分析基础上介绍了量子光学的基本概念,业内很有名气。因而他的同事和学生都极力要求史教授将这份笔记整理出版。于是有了伦敦出版公司CRC在2011年出的英文版。

该书出版后,其专科行业内好评如潮,旋被欧美各大学图书馆、各相应科系争相订购,选为量子光学高年级研究生授课教材或授课参考。特别要提到,该书被认为对一些现代前沿光学应用研究极具价值,故被美国各大国家实验室所订购,作为研究开发及项目工程的重要理论指导书。据知,目前CRC正在加紧和史教授商谈出新版事宜(Second Edition)。

本书的学术价值在于,著者不仅向年轻的研究生们系统地介绍了量子光学基本概念以及分析问题,解决问题的特殊方法,并且在陈述量子理论的成功与问题的基础上,着重介绍了近年来发展的全新实验理论研究动向。书中使用大量精湛的公式推演及全新的实验观察分析讲述如何从量子力学角度去理解和处理光子的波粒行为,剖析它与经典理论在哲学思辨和物理解释及理解的关键的不同之处。著者用了大量篇幅对与爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)假想实验有关的概念,特别是对偶光子(Biphoton)和偶光子纠缠态(Entangled biphoton state)做了介绍和探讨。明确地指出,双光子干涉不是两个光子之间的干涉,而是一个光子对与其自身的干涉。 而且,纠缠态光子对,有别于普通概念的two photons。俄国人Klyshko首先使用了名词Biphoton予以区别。为此,著者在书中使用了中译名词“偶光子”以突出其不同又不可区分的非局域性等非经典特征,使之有别于普通双光子概念。书中记述了在1986年,著者历史性地用实验成功演示了正交偏振信号-闲置光子对的关联干涉,即偶光子纠缠态的偏振干涉。在实验论证及数学推演的基础上,作者给出了一个统一的量子干涉物理的机理:一个光子与其自身干涉。一个光子对与其自身干涉,一组n光子与其自身干涉。由此引出一系列极具吸引力的应用前景。这本书是一部极有特色的著作,它关注的都是量子力学全新发展所揭示出来的那些不可理解却又具重大意义的量子现象的物理本源,著名的如近十年来对经典混沌热光多光子关联的实验研究,所观察到的类似于EPR偶光子纠缠态的非局域干涉现象,关联探测中多光子量子振幅叠加现象的研究,非局域性点对点的对应关系所发展出来的“鬼成像”技术应用等等。


内容简介

不同于本领域大多数传统书籍,本书是在分析典型的实验结果的过程中自然地、循序渐进地介绍基本的经典和量子的概念以及探测技术。特别关注对实验部分的分析是本书有别于其他书籍之处。本书的主要贡献有:

在光场量子化之前引入“子潮及子场叠加干涉的概念,对光学相干性进行综述

基于量子力学原理与规则介绍场量子化及量子光学的概念和工具

分析了经典相干性和量子相干性之间的异同

聚焦于量子光学中的核心研究课题

通过探究实验器件和过程来解释单光子和双光子物理,进而检验相关理论

本书由于涉及很多基础概念,很适合作为学生用书。同时本书也涵盖大量高等量子光学概念,可以帮助科学家和其他专业人员提升对实验、理论及全新测量方法的理解。本书对领域内令人激动的发展和观测进行总结,可以帮助各层次的读者来利用现有概念、工具去总结、分析和解决在工作中遇到的量子光学问题。本书将极大提升人们发现和理解新物理的方法和途径,鼓励人们学会用非传统的概念来解释新生的、历史上的实验发现。


作者简介

史砚华(Yanhua Shih),物理学教授,1987年获马里兰大学物理学博士。于1989年秋在马里兰大学巴尔第摩分校(UMBC)建立了马里兰大学量子光学实验室。他的实验组被认为是量子光学领域中试图探索量子基础理论问题的领袖团队之一。他在多光子纠缠,多光子干涉及量子成像方面的开拓性研究受到物理及工程界极高的赞赏,并为此获得了广泛关注。2002年他获得了量子光学兰姆(Lamb)奖。


目录

前辅文

致谢

作者简介

第1章 光的电磁波理论和测量

1.1 光的电磁波理论

1.2 经典叠加原理

1.3 光的测量

1.4 光强:期望值和涨落

1.5 光强的测量:系综平均和时间平均

本章小结

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第2章 光的相干性-辐射场的状态

2.1 光的相干性

2.2 时间相干性

2.3 空间相干

本章小结

推荐读物

第3章 光的衍射和传播

3.1 光的衍射

3.2 光场的传播

本章小结

推荐读物

第4章 光学成像

4.1 经典成像系统

4.2 透镜的傅里叶变换

本章小结

推荐读物

第5章 光的一阶相干性

5.1 一阶时间相干性

5.1.1 Γ(r 1 ,t 1 ;r 2 ,t 2 ): 混沌热光

5.1.2 Γ(r 1 ,t 1 ;r 2 ,t 2 ): 大量的完全重叠及部分重叠的波包

5.1.3 Γ(r 1 ,t 1 ;r 2 ,t 2 ): 一个波包

5.1.4 Γ(r 1 ,t 1 ;r 2 ,t 2 ): 两个波包

5.1.5 Γ(r 1 ,t 1 ;r 2 ,t 2 ): CW 激光辐射

5.2 一阶空间相干性

本章小结

推荐读物

第6章 光的二阶相干性

6.1 相干光的二阶相干性

6.2 混沌热辐射二阶关联和 HBT 干涉仪

6.2.1 HBT 干涉仪 I: 二阶时间相干性

6.2.2 HBT 干涉仪 II: 二阶空间相干性

6.3 热光的近场二阶空间相干性

6.4 HBT 现象的物理本质

6.5 HBT 关联及探测时间平均

6.6 光的 N 阶相干性

6.7 热光的 N 阶近场空间相干性

本章小结

附录A

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第7章 光的零拍及差拍测量

7.1 光学零拍及差拍测量

7.2 平衡零拍探测和差拍探测

7.3 独立或耦合热光场的平衡零拍探测

本章小结

推荐读物

第8章 光的量子理论——场的量子化和测量

8.1 实验基础 I: 黑体辐射

8.2 实验基础 II: 光电效应

8.3 光量子和场的量子化

8.4 辐射场的光子数态

8.5 辐射场的相干态

8.6 密度算符和密度矩阵

8.7 辐射场的复合系统及双光子态

8.8 非相干和相干辐射源的简单模型

8.9 纯态和混态

8.10 光子对的直积态?纠缠态和混态

8.11 含时微扰理论

8.12 光测量:光子计数

8.13 光测量:光子的联合探测

8.14 场的时-空传播

本章小结

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第9章 光场相干性的量子理论

9.1 量子一阶相干性

9.2 光子和有效波函数

9.3 一阶相干 ( 关联 ) 的测量

9.4 独立辐射源之间的干涉

9.5 量子二阶相干度

9.6 双光子干涉与强度涨落的统计关联

9.7 热光的二阶空间关联

9.8 光子计数和 G (2) 的测量

9.9 量子 N 阶相干性

本章小结

推荐读物

第10章 量子纠缠

10.1 EPR 实验和 EPR 态

10.2 直积态?纠缠态和经典关联态

10.3 自旋纠缠态

10.4 纠缠偶光子态

10.5 纠缠偶光子系统的 EPR 关联

10.6 纠缠偶光子态中的子系统

10.7 色散介质中的偶光子

本章小结

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第11章 量子成像

11.1 偶光子成像

11.2 鬼成像

11.3 鬼成像和测不准关系

11.4 热光鬼成像

11.5 鬼成像的经典模拟

11.6 抗扰动的鬼成像

本章小结

推荐读物

第12章 双光子干涉 I

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