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| 編輯推薦： |
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《量子调控物理学》可供高等院校与量子调控物理相关专业的高年级本科生、研究生、教师阅读，也可供航天等领域的科学研究人员及工程技术人员参考。
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| 內容簡介： |
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《量子调控物理学》系统地论述量子调控物理的理论、实验及应用技术。《量子调控物理学》共11章。第1章介绍量子理论的基础知识。第2章介绍电磁感应透明理论和实验的基础知识，奠定了量子调控物理的理论基础和技术手段。第3章研究对真实的原子、分子进行量子调控的条件和技术方案。第4章对微纳米领域的量子点、量子阱、量子线和量子环实施量子调控。第5章介绍受限小量子体系的行为及调控。第6章介绍光子晶体带隙调控。第7章是关于压缩光的测量及应用。第8章研究量子调控物理应用到实践中的可控单光子源及测量技术和设备。第9、10章介绍量子调控在激光物理方面的应用——光学参量放大和飞秒激光技术及应用。第11章介绍新型量子调控器件应用及展望。
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前言
第1章 量子论简介
1.1量子论的基础
1.1.1量子态
1.1.2波动方程
1.1.3双缝实验
1.1.4光电效应
1.1.5波粒二象性
1.1.6波粒二象性的本质：概率
1.2测不准原理
1.2.1位置和动量的测不准关系
1.2.2原子内部的分立能级结构
1.2.3能量和时间的测不准关系
1.2.4谐振子基态能量
1.2.5真空态起伏
1.2.6量子噪声
1.3量子测量——可测的波函数
1.3.1力学量的测量
1.3.2测量波函数实验
1.3.3制备横向波函数
1.3.4弱测量
1.3.5零动量光子的筛选
1.3.6量子态的直接测量
1.4量子跃迁
1.4.1电子跃迁
1.4.2光子螺度
1.4.3双光子及多光子吸收跃迁
1.4.4分子量子跃迁
1.4.5跃迁概率
1.4.6偶极跃迁
1.5量子相干态
1.5.1光场模
1.5.2相位因子算符
1.5.3量子相干和退相干
1.5.4量子相干态叠加
1.5.5量子相干态拉比振荡
1.6量子信息
1.6.1量子测量
1.6.2量子态密度
1.6.3量子纠缠态
1.6.4量子态非克隆
1.6.5量子态超空间转移
1.6.6量子门
参考文献
第2章 电磁感应透明
2.1非线性光学简介
2.1.1极化矢量
2.1.2非线性极化率
2.1.3布里渊散射
2.1.4受激拉曼散射
2.1.5Kramers-Kronig色散关系
2.2电磁感应透明基本原理
2.2.1电磁感应透明基本条件假设
2.2.2二能级原子系统与缀饰态
2.2.3Λ型三能级系统的电磁感应透明
2.2.4V型系统的电磁感应透明
2.2.5密度矩阵
2.2.6群速度色散与自相位调制
2.3无粒子数反转激光放大
2.3.1三能级Λ型无粒子数反转光放大
2.3.2单色场驱动Λ型三能级原子系统无粒子数反转激光放大
2.3.3双色场驱动V型三能级原子系统无粒子数反转激光放大
2.3.4四能级原子系统无粒子数反转激光放大
2.3.5锂蒸气电磁感应透明实验
2.4电磁感应透明无吸收的折射率增强
2.4.1Λ型三能级原子系统无吸收折射率增强
2.4.2双Λ型三能级原子系统无吸收相干控制折射率
2.4.3无吸收色散
2.4.4真空感应相干无吸收折射率增强
2.5四能级系统及四波混频
2.5.1四能级原子系统的暗态
2.5.2双暗态共振增强克尔非线性效应
2.5.3四波混频
2.5.4三个控制激光场的四波混频
2.5.5输出相同模式光波
2.6电磁感应透明的应用
2.6.1电磁感应透明光速减慢实验
2.6.2X射线腔内核共振
2.6.3光学双稳态
2.6.4快速开关
2.6.5高效非线性频率转换
参考文献
第3章 量子相干调控原子分子
3.1量子相干调控原子
3.1.1内部电子运动状态
3.1.2原子电子态的表征与调控
3.1.3时间域和空间域的电子运动状态
3.1.4量子态相干操控的原子相干和干涉效应
3.1.5原子相干效应阻止退相干
3.2关联电子态和新型光信息载体
3.2.1相干调控关联电子态
3.2.2量子比特
3.2.3量子门和相位量子比特
3.2.4Fano量子相干竞争效应
3.2.5新型量子信息载体
3.3量子相干调控分子
3.3.1单分子能级、波函数的调控
3.3.2单分子-电极体系中的量子输运特性
3.3.3分子体系与环境间相互作用的调控
3.3.4调控分子尺度物质的结构
3.4光电转化过程中电子转移和能量传递
3.4.1分子耦合量子态的制备
3.4.2分子量子态输运特性
3.4.3电荷输运的多体量子特性
3.4.4分子尺度上的量子表征
3.4.5分子尺度上高分辨检测与操纵技术
3.5调控光谱机制
3.5.1荧光
3.5.2线宽压窄和谱线压缩
3.5.3边带影响
3.5.4荧光淬灭
3.5.5荧光谱线增强
参考文献
第4章 量子点、量子阱、量子线、量子环
4.1量子点
4.1.1量子点形态
4.1.2量子点能级结构和跃迁光谱
4.1.3自旋效应
4.1.4光学特性
4.1.5量子点非线性效应
4.1.6量子点的应用
4.2量子阱
4.2.1量子阱形态
4.2.2量子阱能级结构和跃迁光谱
4.2.3量子阱霍尔效应
4.2.4调控量子阱光学特性
4.2.5量子阱非线性效应
4.3量子线
4.3.1量子线原子结构
4.3.2量子线自旋效应
4.3.3量子线光学特性
4.3.4量子线极化效应
4.3.5量子线阵列集合
4.4量子环
4.4.1量子环电子能级结构
4.4.2量子环自旋效应
4.4.3量子环能谱特性
4.4.4量子环非线性AB效应
4.4.5量子环阵列集合
4.5电子输运特性
4.5.1量子点的电子输运特性
4.5.2晶格应变对电子输运特性的影响
4.5.3量子阱的电子输运特性
4.5.4量子线的电子输运特性
4.5.5量子环和量子盘的电子输运特性
参考文献
第5章 受限小量子体系的行为及调控
5.1小量子体系特定构型和性能
5.1.1物理方法特定构型调控
5.1.2磁场调控小量子体系
5.1.3纳米尺度的自旋关联
5.2外场调控小量子体系
5.2.1小量子体系的量子输运特性
5.2.2实时量子反馈和光子数稳定态
5.2.3光与物质交换动量的调控
5.3调控分子体系的自旋态和磁学性质
5.3.1分子体系的自旋波
5.3.2强耦合与弱耦合
5.3.3自旋极化磁学性质
5.3.4耦合体系与环境间相互作用的调控
5.4小量子体系的光谱特性
5.4.1小量子体系的光谱特性
5.4.2前驱波光谱特性
5.4.3调控振幅和相位的堆叠前驱波
参考文献
第6章 光子晶体带隙调控
6.1晶格特性
6.1.1晶格中自由运动的电子状态
6.1.2二维蜂窝晶格
6.1.3三维柱形晶格
6.1.4一维光晶格
6.2能带理论
6.2.1布洛赫（Bloch）本征态波函数
6.2.2包络外场调控
6.2.3电子-声子散射
6.2.4自旋弛豫
6.2.5自旋去相位
6.3光子晶体带隙
6.3.1光子晶体带隙的特性
6.3.2缺陷光子晶体的能带结构
6.3.3光子晶体微谐振腔带隙
6.3.4光子晶体光纤带隙
6.4光子晶格带隙调控
6.4.1电场和磁场调控光子带隙
6.4.2机械调控光子带隙
6.4.3光调控光子带隙
6.4.4温度调控光子带隙
6.4.5特定气体调控光子带隙
参考文献
第7章 压缩光技术及应用
7.1光场压缩态
7.1.1压缩态的定义
7.1.2正交相位光场压缩态
7.1.3光子数压缩态
7.1.4光强度差压缩态
7.2压缩态光学测量
7.2.1亚散粒噪声光学测量
7.2.2强度差压缩光微弱信号测量
7.2.3双光子测量压缩态
7.3压缩光的应用
7.3.1量子成像
7.3.2自旋关联压缩降噪
7.3.3用压缩态光实施光通信
7.3.4用压缩态光测量运动目标
7.3.5用压缩态光探测微芯片固态量子系统
参考文献
第8章 可控单光子源及探测
8.1可控单光子源
8.1.1单光子源特性
8.1.2偏振调控高频单光子源
8.1.3芯片单光子源
8.2单光子测量
8.2.1单光子探测
8.2.2超精细测量
8.3可控单光子的应用
8.3.1单光子水平控制光开关
8.3.2量子点内操控单量子态
8.3.3单光子调控微机械共振
8.4单光子测量的应用
8.4.1超精细分辨
8.4.2非线性效应调控
8.4.3单光子控制的全光路由测量
参考文献
第9章 光学参量放大
9.1光学参量振荡
9.1.1光学参量振荡的基本原理
9.1.2周期极化
9.1.3可调控光学参量
9.1.4参量带宽
9.2光学参量啁啾脉冲放大
9.2.1光学参量啁啾放大的基本原理
9.2.2共线相位匹配光学参量放大
9.2.3非共线相位匹配光学参量放大
9.2.4压缩相干态光学参量放大
9.3光学参量啁啾脉冲放大装置
9.3.1小型化光学参量啁啾脉冲放大装置
9.3.2增强型谐振腔光学参量啁啾脉冲放大装置
9.3.3超宽带光学参量啁啾脉冲放大
9.4光学参量啁啾脉冲放大装置的稳定性
9.4.1抑制光学参量啁啾脉冲放大装置抖动
9.4.2主动同步信号脉冲与泵浦脉冲
9.4.3长期稳定的高功率光学参量啁啾脉冲放大器
参考文献
第10章 飞秒激光技术及应用
10.1飞秒激光器的关键技术
10.1.1克尔透镜锁模
10.1.2半导体可饱和吸收镜锁模
10.1.3飞秒激光谐振腔
10.1.4色散补偿
10.2光纤飞秒激光器
10.2.1光纤
10.2.2光纤锁模启动
10.2.3飞秒脉冲形成
10.3飞秒脉冲激光整形技术
10.3.1光谱的展宽和脉冲压缩
10.3.2白光产生与飞秒脉冲压缩
10.3.3频域调制
10.4飞秒脉冲激光测量技术及应用
10.4.1相位测量
10.4.2相位相干的测量
10.4.3太赫兹波的探测及应用
10.4.4双色飞秒激光脉冲产生太赫兹波
10.4.5波导飞秒激光太赫兹脉冲
参考文献
第11章 新型量子调控器件应用及展望
11.1量子器件
11.1.1低维电子输运器件
11.1.2低维光电器件
11.1.3探测器件
11.2微致动器
11.2.1可调控光开关
11.2.2微致动器的分类
11.2.3微致动器在微光机电系统中的应用
11.3传感器及应用
11.3.1光纤传感器
11.3.2光电传感器
11.3.3激光传感器
11.3.4偏振光导航
11.4微腔型量子器件展望
11.4.1微型腔和腔量子电动力学
11.4.2二维腔型分子器件
11.4.3自旋量子腔
11.4.4多腔量子器件及应用
参考文献
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第1章量子论简介
量子论又称量子理论，是现代物理学的两大基石之一。量子论提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理、量子光学、强场物理、固体物理、凝聚态物理学、核物理学和粒子物理学等奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射、微观量子调控等。本书用量子论的观点阐述量子调控的理论和技术应用，本章简要介绍量子论的基本知识。
1.1量子论的基础
量子论中的波实际上是一种概率，波函数表示微观粒子在某时刻t某地点x出现的概率。微观领域测量存在不确定的关系，任何一个微观粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量其中的一个，则另一个将是不确定的。这就是测不准原理。测不准原理和波函数概率奠定了量子论诠释的物理基础。
1.1.1量子态
微观粒子运动的状态称为量子态，波函数是描述量子态的数学方法。量子态由一组量子数表征，描述每个微观粒子的量子态的这组量子数的数目等于粒子的自由度数。例如，定义一个电子在原子中的量子态，n是主量子数，l是轨道角动量的量子数，是轨道角动量的量子数投影，自旋量子数投影。
对微观粒子运动的系统测量某个物理量时，这个物理量的值是个定值，对应的状态就是本征态。本征态可作为基矢，这些本征态基矢构成一个集合，任意量子态可向这个集合的基矢进行展开，其展开系数的平方就是系统处于该本征态上的概率。
氢原子本征态对应的波函数为
（1.1）
式中，是径向波函数；是球谐函数；
氢原子系统中一般波函数向氢原子的本征波函数基矢展开，即
（1.2）
式中，是展开系数。是波函数处于本征态的概率，则
（1.3）
如是波函数处于本征态的概率。波函数式（1.2）中没有包括电子自旋态。
一维简谐振子的归一化本征波函数为
（1.4）
式中，归一化常数为
自由粒子运动是平面波，对应的平面波函数为
（1.5）
式中，A是复振幅；r是空间坐标；t是时间；p是自由粒子的动量，其运动方向不变，是常矢量；E是自由粒子的能量；是普朗克常量h除以。与能量E相联系的是频率，与动量相联系的是波长。自由粒子运动的平面波函数也可表示成
（1.6）
式中，k是波矢；是角频率。
1.1.2波动方程
数学表达的波动方程为
（1.7）
式中，是描述波动的波函数；是拉普拉斯算符；是波动传播的速度；x是空间位置；t是时间。
平面波的形式为
（1.8）
式中，i是虚数单位；k是波矢；是角频率；A是复值的振幅标量。取复函数的实部，则可得到其物理意义，即
（1.9）
横波的振幅矢量垂直于波矢，如在各向均匀的介质中传播的电磁波。纵波的振幅矢量平行于波矢，如在气体或液体中传播的声波。
介质内传输的波，角频率与波矢之间的关系用函数表示，称为介质的色散关系。对于介质，波的相速度是
（1.10）
群速度是
（1.11）
空间的一个局部区域运行的波，近似于平面波的波动。在一个均匀介质内，波的传播距离超过波长，在几何光学的极限内，对应于近似平面波三维空间里，平面波是一种波动。平面波的波前（相位为常数的平面）是相互平行的无限宽广的平面，其传播方向垂直于波前。
1.1.3双缝实验
量子力学的双缝实验是一个测试量子物体如光或电子等微观粒子的波动性质的实验。双缝实验所需的基本仪器设置很简单。图1.1为光的双缝实验，在一块内部刻出两条狭缝的不透明挡板的后面摆设了照相底片或某种接收屏幕，记录通过狭缝的光波的数据。光波的波动性质使得通过两条狭缝的光波互相干涉，在接收屏幕上出现相间的明亮条纹和黑暗条纹，这就是双缝实验著名的干涉图案。
a双缝实验示意图bX射线单色波强度模拟分布[1]c复色光双缝干涉模拟图[1]
d双缝实验结果——干涉图样[2]
图1.1光的双缝实验
假如光波是以粒子的形式从光源移动至接收屏幕，那么根据经典理论，抵达接收屏幕某一位置的粒子数目应该等于在路途中通过上狭缝的粒子数量与通过下狭缝的粒子数量的总和。也就是说，在接收屏幕P的任意位置，其明亮度应该等于遮掩上狭缝后的明亮度与遮掩下狭缝后的明亮度的总和。但是，实验者发现，当两条狭缝都不被遮掩时，接收屏幕某些位置会比较明亮，某些位置会比较黑暗。这个图案只能用波动的相干增长和相干消减来解释，而不是粒子数量的简单加法。
微观粒子的双缝实验有力地说明了粒子具有波动性质。图1.1是微观粒子双缝实验示意图。图a中，S是粒子源，S1和S2是两个狭缝，P是接收屏幕，接收屏幕上显示干涉条纹。图b中，狭缝宽2.5μm，两狭缝间距10μm，传播距离500mm，能量E=5keV，X射线单色波强度模拟分布[1]。图c中，复色光能量E1=5keV，E2=7.5keV，E3=10keV，E4=12.5keV，E5=15keV[1]。图d是双缝实验结果——干涉图样。
干涉现象是波动性最显著的特点。
1.1.4光电效应
光电效应是指物质吸收光子激发出自由电子的行为。如图1.2所示，当阴极金属表面在特定的光辐照作用下，阴极金属会吸收光子并发射电子，发射出来的电子称为光电子，在外加电压作用下光电子会向阳极运动，在电路中形成回路电流。
（1.12）
式（1.12）是光电效应方程。式中，m是电子质量；是电子速度；v是入射光频率；h是普朗克常量；A是电子离开阴极金属的脱出功。
入射光的波长需小于某一临界值（相当于光的频率高于某一临界值）时方能发射电子，即要产生电流，必须使式（1.12）中，即有，，此时的临界值即为截止频率及对应的截止波长。临界值取决于阴极的金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长（或频率）而非光的强度，当脱出功A一定时，改变入射光的频率v直至小于截止频率，即使增强入射光强度，电路中仍没有电流，即此时没有光电子从阴极金属中飞出，或者说电子没有足够的动能从阴极金属中脱出。如果入射光的频率v大于截止频率，即使减弱入射光的强度，仍有光电子从阴极金属表面射出。只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生几乎都是瞬时的，不超过。
1.1.5波粒二象性
普朗克提出辐射场中的能量是量子化的。光是由大小为hv的能量子一份一份组成的，h是普朗克常量。每一个光量子的能量E与辐射场的频率v的关系是
（1.13）
光以光速c在空间（确切地说是真空中）中传播，光子的动量P与能量E有如下关系
（1.14）
因此得到光子的动量P与辐射场E的波长关系是
（1.15）
现在用光量子的概念解释1.1.4小节提到的光电效应实验。当光量子hv射到阴极金属表面时（图1.2），一个光子的能量hv立即被一个电子吸收，只有当入射光频率足够大时，即入射频率大于截止频率时，电子才有可能克服脱出功A的能量而逃逸出金属表面；逃逸出表面后，电子的动能由式（1.12）表示。
用波动观点来解释光波的干涉。光波的波前同时从两个狭缝出来，当波前传播至接收屏幕的某一点时，两个光波的叠加决定了光波会在那一点被观测到的强度。在接收屏幕上观察到的明亮条纹，是由光波的相干增强所致，当一个波峰遇到另外一个波峰，会产生相干增强。黑暗条纹是由光波的干涉相消造成的，当一个波峰遇到另外一个波谷，会产生干涉相消。
用粒子观点来解释。光子的量子行为可以用概率波描述，当概率波的波前传播至接收屏幕的某一点时，两个概率波的叠加决定了光子会移动到那一点的概率。更详细地说，两个概率波的概率幅相加后，取绝对值平方，即为概率。经过累积许多光子后，可以在接收屏幕观测到一系列的条纹，单色光是明暗相间的条纹，复色光时则是彩色条纹。
德布罗意提出，与具有一定能量E及动量P的粒子相联系的物质波的频率v及波长分别是
（1.16）
（1.17）
物质粒子的波动性与光有相似之处，普朗克常量h是个很小的量，实物粒子的波长实际上很短，在一般宏观条件下，波动不会很显著地表现出来，粒子特性突出。随着空间尺度的缩小，直到微观领域，物质粒子的波动性会明显地表现出来。如图1.3所示为电子衍射实验结果，一个电子通过透镜打到屏幕上的位置是随机的，很多电子打到屏幕上时出现了衍射环，这个结果就是电子波动性的显示。
微观粒子具有波动性和粒子性的双重特点，即波粒二象性。
1.1.6波粒二象性的本质：概率
波粒二象性指某物质同时具备波动的特点及粒子的特点。它是量子力学中的一个重要概念。在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子。前者的典型例子是光，后者则组成了物质。在1.1.4小节中，爱因斯坦提出光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1.1.5小节中，德布罗意提出物质波假说，他认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射实验证实（图1.3）。光子的随机性是按照一定的概率分布随机地落在屏幕上，这是一个概率事件。即使只有一个光子，它也会按照所有光子都在场时的情形运行，即光子本身就具有波动性，单个光子具有波动性，单个电子具有波动性，微观领域单个粒子都显示波动性。
我们对光束的观测是对诸多光子进行随机的统计性观测，是一种对全同粒子同时完成的事件的观测，即系综统计。而另一种对于光子的观测则是进行时间时序上的观测，统计方式是按时间先后顺序，长时间积累得到统计结果。两种观测的结果都是对随机事件的统计结果，即概率。1.1.3小节中的双缝实验，一个光子从光源S出发通过S1和S2中某个狭缝到达屏幕上的某个位置是随机的，光子从光源S出发沿二者之间任何路径到达屏幕都是有可能存在的，我们在光源S和屏幕之间任何路径中都有可能探测到光子，这是概率表现中随机性的结果，即每一个光子的路径是随机的。但是，许多光子的不同路径综合起来就会出现概率论分布的光子路径。我们不可能确定光子的路径，但是可以确定光子路径的概率，最有可能的路径是直线传播。这正是经典理论中光的直线传播性，量子理论用光本性的意义对直线传播作概率的理解。
以氢原子为例，核外的电子绕核运动，电子离原子核的距离可以是任何可能的值，根本不可能确定电子的位置，但是可以确定地说，电子在离原子核为玻尔半径（以及其他定态轨道）处的概率最大。原子的结构是原子核和“电子云”，而不是原子和轨道运动的电子。
当用量子理论解释光和电子等微观客体时，概率是主体。
1.2测不准原理
微观粒子具有波动和粒子两重性，体现在量子力学中，一个微粒的某些物理量，不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大，这就是测不准原理。
1.2.1位置和动量的测不准关系
海森堡测不准原理认为：当观测电子、离子、光子等量子时，观测仪器发射的光子就能对量子产生作用，从而影响量子的运动，这样，对于量子位置的测量越准确，对于其动量的测量就越不准确，反之亦然。
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