Kas yra kvantinė optika?

NickS / Getty Images

Kvantinė optika yra sritis Kvantinė fizika kuri konkrečiai susijusi su sąveika fotonai su materija. Atskirų fotonų tyrimas yra labai svarbus norint suprasti visų elektromagnetinių bangų elgesį.

Norint tiksliai paaiškinti, ką tai reiškia, žodis „kvantinis“ reiškia mažiausią bet kokio fizinio objekto, galinčio sąveikauti su kitu subjektu, kiekį. Todėl kvantinė fizika nagrinėja mažiausias daleles; tai neįtikėtinai mažytės subatominės dalelės, kurios elgiasi unikaliais būdais.

Žodis „optika“ fizikoje reiškia šviesos tyrimą. Fotonai yra mažiausios šviesos dalelės (nors svarbu žinoti, kad fotonai gali veikti ir kaip dalelės, ir kaip bangos).

Kvantinės optikos raida ir šviesos fotonų teorija

Teorija, kad šviesa judėjo atskiruose pluoštuose (t. y. fotonais), buvo pateikta Maxo Plancko 1900 m. straipsnyje apie ultravioletinę katastrofą m. juoda kūno spinduliuotė . 1905 m. Einšteinas išplėtė šiuos principus savo paaiškinime fotoelektrinis efektas apibrėžti šviesos fotonų teoriją.

Kvantinė fizika vystėsi pirmoje dvidešimtojo amžiaus pusėje, daugiausia dėl mūsų supratimo apie fotonų ir materijos sąveiką ir tarpusavio ryšį. Tačiau tai buvo vertinama kaip šio dalyko tyrimas, susijęs su daugiau nei į šviesą.

1953 m. buvo sukurtas maseris (kuris skleidė koherentines mikrobangas), o 1960 m. lazeris (kuri skleidė koherentinę šviesą). Kadangi šiuose įrenginiuose naudojamos šviesos savybės tapo svarbesnės, kvantinė optika buvo pradėta naudoti kaip šios specializuotos studijų srities terminas.

Išvados

Kvantinė optika (ir visa kvantinė fizika) mano, kad elektromagnetinė spinduliuotė tuo pačiu metu sklinda ir bangos, ir dalelės pavidalu. Šis reiškinys vadinamas bangos-dalelės dvilypumas .

Dažniausias paaiškinimas, kaip tai veikia, yra tas, kad fotonai juda dalelių sraute, tačiau bendrą tų dalelių elgesį lemia kvantinės bangos funkcija kuri nustato tikimybę, kad dalelės tam tikru metu bus tam tikroje vietoje.

Remiantis kvantinės elektrodinamikos (QED) išvadomis, kvantinę optiką taip pat galima interpretuoti kaip lauko operatorių aprašytą fotonų kūrimo ir naikinimo formą. Šis metodas leidžia naudoti tam tikrus statistinius metodus, kurie yra naudingi analizuojant šviesos elgseną, nors tai, ar ji atspindi tai, kas fiziškai vyksta, yra tam tikrų diskusijų klausimas (nors dauguma žmonių tai vertina kaip tik naudingą matematinį modelį).

Programos

Lazeriai (ir mazeriai) yra akivaizdžiausias kvantinės optikos pritaikymas. Šių prietaisų skleidžiama šviesa yra koherentinės būsenos, o tai reiškia, kad šviesa labai panaši į klasikinę sinusoidinę bangą. Šioje nuoseklioje būsenoje kvantinės mechaninės bangos funkcija (taigi ir kvantinė mechaninė neapibrėžtis) pasiskirsto vienodai. Todėl lazerio skleidžiama šviesa yra labai tvarkinga ir paprastai ribojama iš esmės ta pačia energijos būsena (taigi ir tuo pačiu dažniu bei bangos ilgiu).