量子光學(xué)入門3-電磁場物理量化為算符

一次量子化手續(xù)

1 獲得獲得經(jīng)典哈密頓正則運動方程H(q,p)

2 將q,p視為算符客税,賦以對易關(guān)系

[q_j,p_k]=ih\delta _{jk}, [q_j,q_k]=0, [p_j,p_k]=0

3 給算符找適當作用對象描寫狀態(tài)

一、電磁場駐波(傅里葉級數(shù)展開體現(xiàn)量子化)

(1)得出電磁場總能量(電場+磁場)or 哈密頓量

H=\sum\nolimits_j (\frac{1}{2}m_j \omega _j^2q_j^2+\frac{p_j^2}{2m_j})\equiv \sum\nolimits_j H_j

(2)視為算符唁奢,賦予對易關(guān)系(量子化)

[q_j,p_k]=ih\delta _{jk}, [q_j,q_k]=0, [p_j,p_k]=0

(3)引入算符

a_j(t)=\sqrt{\frac{1}{2m_jh\omega _j}}[m_j\omega _jq_j(t)+ip_j(t)]

a_j^+(t)=\sqrt{\frac{1}{2m_jh\omega _j}}[m_j\omega _jq_j(t)-ip_j(t)]

(4)哈密頓量及電磁場模式分量霎挟,化為

H_j=\hbar\omega _j(a_j^+a_j+\frac{1}{2})? (量子化的電磁場看做一維諧振子的集合)

E_j(z,t)=E_j^s\sin (k_jz)[a_je^{-i\omega _jt}+a_j^+e^{i\omega _jt}]

B_j(z,t)=-iB_j^s\cos (k_jz)[a_je^{-i\omega _jt}-a_j^+e^{i\omega _jt}]

二、電磁場行波展開(三維的傅里葉級數(shù)展開)

(1)哈密頓量及電磁場模式分量

H_j=\hbar\omega _j(a_j^+a_j+\frac{1}{2})?(任意電磁場中都具有這種形式麻掸,只不過不同電磁場的a_j是不同的)

\textbf{E}_j(\textbf{r},t)=i\textbf{e}_jE_j^r \{a_je^{-i(\omega _k-\textbf{k}_j\cdot  \textbf{r})}-a_j^+e^{i(\omega _k-\textbf{k}_j\cdot  \textbf{r})}\}

\textbf{B}_j(\textbf{r},t)=i(\frac{\textbf{k}_j}{k_j}\times \textbf{e}_j)B_j^r \{a_je^{-i(\omega _k-\textbf{k}_j\cdot  \textbf{r})}-a_j^+e^{i(\omega _k-\textbf{k}_j\cdot  \textbf{r})}\}

(2)總電場總能量為

H=\sum\nolimits_jH_j

\textbf{E}=\sum\nolimits_{j}\textbf{E}_j

\textbf{B}=\sum\nolimits_{j}\textbf{B}_j

(3)電磁場的每個模式就類似一個諧振子酥夭,每個諧振子有其對應(yīng)的角頻率\omega _j和對應(yīng)的量子數(shù)a_j^+a_j,這個量子數(shù)實際上就是傅里葉展開的系數(shù)脊奋,可以用來描述每個頻率的貢獻多少熬北。系數(shù)越大,表示這個頻率的貢獻越多诚隙,也可以說是這個頻率的光子數(shù)越多讶隐。(理解為這個頻率的光子的能級比較高有問題嗎?)

(4)按我的理解久又,將電磁場量子化的意思是:將電磁場的物理量E巫延,B,H變成算符的形式地消。它的物理含義是將電磁場進行傅里葉級數(shù)展開后炉峰,把每個分量視為一個獨立的諧振子(光子),展開系數(shù)表示分量的貢獻——諧振子能級(光子數(shù)目)脉执。

三疼阔、推廣討論

對于一般電磁場,此時量子化就需要用傅里葉變換(傅里葉積分形式)半夷。分量同樣可表示對應(yīng)頻率的光子(此時頻率連續(xù)變化婆廊,上面的例子是離散變化),展開系數(shù)表示該頻率下的光子數(shù)目巫橄。在這種情況下用電磁場強度E淘邻,B描述電磁場和用光子頻率,數(shù)目描述電磁場是從兩個不同角度去描述的湘换,但其實是等價的宾舅。但是這其中有個重要的概念就是電磁場的相位問題敬尺,這個相位其實包含在展開系數(shù)?a_j \ a_j^+中,

也就是說可以通過a_j \  a_j^+去討論其電磁場的振幅和相位贴浙。

(其實從推導(dǎo)的過程中澜建,展開系數(shù)原來是包含在q_j,p_k中车伞,后來經(jīng)過變換把展開系數(shù)變成a_j \ a_j^+项鬼,看似從兩個獨立變量變成只有一個饵逐,但其實可以把a_j \ a_j^+看成兩個獨立變量,類似于\cos (\omega t) 和 \sin (\omega t)作為兩個獨立的解袁串,對應(yīng)于 e^{i\omega t} 和e^{-i\omega t} 為兩個獨立解


四概而、遺留問題

p58?

每個模的哈密頓量不隨時間變化?

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