超快量子光電子學(xué)

1、超快量子光電子學(xué)第1頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三改變世界的光子學(xué)信息光子學(xué)改變了人們的通訊、交流與生活方式: 光纖是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?“信息高速公路”；激光是信息的“載體”。知識(shí)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)志：信息科技的發(fā)展信息科學(xué)的發(fā)展標(biāo)志：光子信號(hào)替代電子信號(hào)處理 激光的出現(xiàn)改變了工業(yè)加工方法； 改變了現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)方式； 改變了科學(xué)研究方法； 改變了醫(yī)學(xué)診斷治療方法； 改變了世界的許多方方面面。 第2頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三世界面臨的重大科技問題期待著在光子學(xué)方面找到出路：1 能源問題：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

2、間接地來自于太陽能 -問題：光子能量的存儲(chǔ)、控制與利用2 農(nóng)業(yè)問題：水稻與植物的光合作用過程 -光合作用，我們到底知道多少？ 3 信息問題：信息的傳輸、處理與利用，光子計(jì)算機(jī) -信息容量極限？需要全光光子器件嗎？4 健康問題：從診斷到治療的革命 -光子成像，激光治療，美容校正，.5 軍事問題：搶占軍事制高點(diǎn)： -激光制導(dǎo)、激光攔截、激光致盲、激光武器6 科學(xué)問題： -激光核聚變，極端條件下的物理狀態(tài) .第3頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三引言篇超快量子光學(xué)導(dǎo)論第4頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三基本科學(xué)問題：1 光子能存儲(chǔ)嗎？光子能靜止嗎？光

3、子能穿透墻壁嗎？原子的自發(fā)輻射壽命可以控制嗎？未來的量子通訊可能嗎？新一代光子物理與技術(shù)如何解決“硬件”問題？“光合作用”的基本物理化學(xué)過程是什麼？“視覺過程”是如何工作的？光可以控制化學(xué)反應(yīng)的方向與化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物嗎？ .解決方法：利用光子的相干特性第5頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三超快量子光子學(xué)的研究?jī)?nèi)容光子學(xué)：研究光子行為量子光子學(xué)：研究光子與量子力學(xué)體系相互作用的行為超快量子光子學(xué)：研究超短激光脈沖與物質(zhì)相互作用的行為涉及海量與高速信息光子學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)知識(shí)，是科技發(fā)展的前沿與主流 （Nature, Science等雜志光子學(xué)論文占相當(dāng)比重）第6頁，共20頁，20

4、22年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三什么是相干？定義：相干是指體系的各個(gè)子集之間存在著邏輯，有序 或美學(xué)間的關(guān)聯(lián)。相干態(tài)：物理學(xué)上的相干態(tài)是指體系的各個(gè)部分在相位上 存在的某種關(guān)聯(lián)。 如相干光場(chǎng)激光 相干物質(zhì)波玻色愛恩斯坦凝聚 相干波包化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì) 第7頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三 社會(huì)科學(xué)中的相干性:相干性是社會(huì)變遷的動(dòng)力,是革命的基本方法造反者利用社會(huì)相干性發(fā)動(dòng)群眾當(dāng)權(quán)者淡化相干,影響相干,極化(POLARIZE)相干股票市場(chǎng)上的心理效應(yīng)導(dǎo)致股市的起伏神經(jīng)病是大腦神經(jīng)單元的部分相干取向所致高速公路上行駛的汽車也有相干特性大雁飛行也是相干的多米諾骨牌: 相

5、干效應(yīng)感覺爽古代諺語：“人心齊，泰山移”。.第8頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三 自然科學(xué)中的相干性： 愛因斯坦的受激吸收與受激輻射概念的提出：激光理論基礎(chǔ) 核磁共振 全息照相 激光器的出現(xiàn) 非線性光學(xué)與非線性光譜學(xué) 霍爾效應(yīng)與分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng) 激光的原子冷卻 飛秒相干光化學(xué) 玻色-愛因斯坦凝聚 高溫超導(dǎo)超導(dǎo)機(jī)理研究？ 光合作用能量與電子的傳輸機(jī)理？.第9頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三相干性的數(shù)學(xué)描述: 相干性是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均現(xiàn)象,需要對(duì)所研究的體系作統(tǒng)計(jì)平均: 量子力學(xué)力學(xué)量電偶極子的統(tǒng)計(jì)平均值上式既可以對(duì)時(shí)間平均，也可以對(duì)多個(gè)測(cè)量對(duì)象取平

6、均。取值大小取決于波函數(shù)的相位相干性第10頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三Coherence in Photonic Worldcoherence in photonic worldcoherence in photonic wworld第11頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三相干性特征相干態(tài)既可以是相干光場(chǎng)（相干場(chǎng)），也可以是相干物質(zhì)波（相干態(tài)）相干光場(chǎng)與相干態(tài)可以相互作用與相互轉(zhuǎn)換。如相干光場(chǎng)可以轉(zhuǎn)換為物質(zhì)體系的極化激元，極化激元也可以轉(zhuǎn)換為光子輻射極化激元可以隨光場(chǎng)傳輸，也可以在材料中長(zhǎng)時(shí)間停留，導(dǎo)致光子能量的局域化與光能存儲(chǔ)量子光子信息

7、的基本原理就是利用光子信息與物質(zhì)體系極化子間的相互轉(zhuǎn)換與控制。量子光子器件也稱為未來超高速、寬帶信息光子學(xué)的“硬件”。第12頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三相干態(tài)的產(chǎn)生方法：用外場(chǎng)誘導(dǎo)體系，使系統(tǒng)處于相干態(tài)。產(chǎn)生相干態(tài)的最有效方法1 用受激誘導(dǎo)輻射制備“激光”2 用超短巨脈沖激發(fā)物質(zhì)體系 3 使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于受迫態(tài) 4 定期、定點(diǎn)激發(fā)物質(zhì)體系 （激光鎖模）5 制造理想的物質(zhì)體系 （自然界的多米諾骨牌）第13頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三關(guān)于相干態(tài)產(chǎn)生方法的若干說明：1 相干態(tài)起源于產(chǎn)生于兩個(gè)或兩個(gè)以上能級(jí)的粒子波函數(shù) 間的躍遷；2 處于定態(tài)

8、的原子波函數(shù)沒有相干態(tài)；3 相干態(tài)以原子的躍遷頻率快速振蕩；4 相干態(tài)本身可隨激發(fā)場(chǎng)的振幅變化而變化；5 相干態(tài)對(duì)應(yīng)于原子系綜，是統(tǒng)計(jì)平均行為；6 在激發(fā)場(chǎng)撤離后，相干態(tài)仍然可以延續(xù)，延續(xù)時(shí)間由 相干態(tài)的壽命決定，這一壽命不同于原子在上能級(jí)的 停留時(shí)間；7 相同與不同頻率的相干態(tài)之間可以產(chǎn)生干涉，相干態(tài) 也可以向外輻射，產(chǎn)生相干輻射。 第14頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三相干時(shí)間有多長(zhǎng)？取決于所研究的現(xiàn)象：社會(huì)現(xiàn)象的相干性可以延續(xù)若干年原子團(tuán)簇的相干性：波色愛因斯坦凝聚：秒的量級(jí)原子自旋的相干性：核磁共振，毫秒量級(jí) 電子躍遷的相干性： 稀薄氣體： 微秒納秒量級(jí) 凝聚

9、態(tài)介質(zhì)： 內(nèi)層電子間的躍遷：納秒皮秒量級(jí) 外層電子間的躍遷：皮秒飛秒量級(jí) 內(nèi)殼層電離層間的躍遷：飛秒阿秒量級(jí)第15頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三 相干態(tài)的測(cè)量方法直接測(cè)量相干態(tài)的相干輻射采用相關(guān)測(cè)量法相干態(tài)說明：直接測(cè)量法不能測(cè)量相干態(tài)的快變成分 相關(guān)測(cè)量法可用于振幅與相位的測(cè)量 第16頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三量子光學(xué)中的相干態(tài)應(yīng)用舉例自感應(yīng)透明：光子可以透過吸收體電磁誘導(dǎo)透明：光子可以減速，光子可以靜止（以極化子的能量形式）量子干涉：化學(xué)反應(yīng)方向可以控制原子減速與原子凝聚：構(gòu)成新的物質(zhì)態(tài)超快量子光子器件：“硬件”有史無前例的響應(yīng)速

10、度量子通訊與量子計(jì)算：明日的信息科技邁向利用與開發(fā)“光合作用”“視覺過程”等高速、高效自然界過程的新臺(tái)階第17頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三相干態(tài)應(yīng)用舉例：量子光子管研究光子管應(yīng)用基礎(chǔ)：低工作閾值；低功率損耗；器件可集成；足夠的弱光放大系數(shù)；超快相應(yīng)速度第18頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三使用主動(dòng)型光子晶體的量子效應(yīng)有望解決量子光子管的若干重要問題：1 低閾值：毫瓦級(jí)的平均功率2 超快速相應(yīng)速度： 12皮秒3 可以集成：體積僅為幾個(gè)微米4 關(guān)鍵問題：增益從何而來？第19頁，共20頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)26分，星期三本課題組研究進(jìn)展在RAR