原子与光子相互作用：基本过程和应用

图书标准信息

• 作者 [法]克劳德·科恩-塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji） 著；颜波、景俊 译
• 出版社 清华大学出版社
• 出版时间 2021-01
• 版次 1
• ISBN 9787302565734
• 定价 99.00元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 437页
• 字数 605千字

【内容简介】

  《原子与光子相互作用：基本过程和应用》着重研究原子分子物理、量子光学和激光物理中光与原子相互作用。光子的各种基本过程包括发射、吸收、散射或者原子之间的交换作用，都用图示法进行了详细的描述和刻画。
  《原子与光子相互作用：基本过程和应用》介绍了多种不同的理论方法，包括：微扰法、豫解法、主方程法、朗之万方程法、光学布洛赫方程法、原子光子缀饰态法等。每种方法都自洽地描述，读者可以单章独立阅读。
  《原子与光子相互作用：基本过程和应用》通过对一些简单和重要物理现象的分析，对各种方法的优势和局限性也进行了详细的阐述。
  《原子与光子相互作用：基本过程和应用》不仅适合研究生仔细研读，也是相关科研人员值得人手一册的参考书。

【作者简介】

颜波，浙江大学百人计划研究员/博士生导师。

 

2000-2004年，浙江大学 本科

 

2004-2009年，上海光机所 博士

 

2009-2011年，中科大微尺度国家实验室，博士后

 

2011-2015年，美国科罗拉多大学JILA，博士后

 

2015年入选国家“青年千人”。同年，回浙江大学物理系任职。

 

 

颜波博士长期从事冷原子，冷分子研究。特别是关于三维光晶格中超冷分子的研究，第一次实验观测到超冷分子的偶极自旋交换作用。文章以颜波博士为第一作者发表在Nature杂志上。至今，颜波博士共发表 SCI 文章20多篇，包括1篇Nature，1篇Science，6篇Physical Review Letter，引用次数超过900次。               

 

 

 

景俊，教授/博士生导师

 

 

上海交通大学物理系本科（1998~2002）、硕博连读（2002~2007），2007年获理论物理博士学位。上海大学物理系讲师、副教授（2007~2014）。美国史蒂文斯理工学院博士后（2010~2012）。西班牙巴斯克大学理论物理系（2013、2015）、美国纽约大学水牛城分校物理系（2013~2014）

 

【目录】

 

目录

 

 

第 1章电动力学中的跃迁几率幅 1 

 

 

11物理过程中的几率幅 1 

 

 

12跃迁几率幅的时间依赖关系 3 

 

 

121分立能级间的耦合 3 

 

 

122分立能级和连续谱之间的共振耦合 4 

 

 

123连续谱内或连续谱之间的耦合 5 

 

 

13电动力学中的应用 7 

 

 

131库仑规范下的哈密顿量 7 

 

 

132按电荷量 qα的幂次展开 8 

 

 

133按横场的作用强度幂次展开 8 

 

 

134在粒子哈密顿中包含库仑相互作用的优势 9 

 

 

135跃迁几率幅的图示法  10 

 

 

14补充材料：跃迁几率幅的微扰计算 ――一些有用的公式  12 

 

 

141相互作用表象  12 

 

 

142跃迁几率幅的微扰展开  13 

 

 

143跃迁几率  17 

 

 

15补充材料：用等效哈密顿量描述微扰效应  22 

 

 

151序言和目标  22 

 

 

152方案的基本原理  24 

 

 

153确定等效哈密顿量  25 

 

 

154两个相互作用系统的情况  27 

 

 

16补充材料：离散能级耦合到宽带连续谱 ――一个简单模型  28 

 

 

161模型的描述  29 

 

 

162系统的稳态：在新连续谱中追踪离散态  30 

 

 

163模型的应用例子  33 

 

 

164推广到更实际的连续谱 ――不通过离散化的哈密顿量对角化  39

 

 

第 2章光与原子相互作用一览  42 

 

 

21辐射过程：一个新光子的产生  42 

 

 

211两个离散态之间的自发辐射 ――原子激发态的辐射衰减  43 

 

 

212连续谱和离散态之间的自发辐射  46 

 

 

213离化连续谱中两态之间的自发辐射 ――轫致辐射  47 

 

 

22吸收过程：一个光子的消失  48 

 

 

221两个离散态之间的吸收  48 

 

 

222离散态和连续态之间的吸收  49 

 

 

223两个离化连续态之间的吸收：逆轫致辐射  51 

 

 

224光场初态对吸收过程动力学的影响  51 

 

 

23散射过程：一个光子消失，另一个光子产生  53 

 

 

231散射振幅 ――图示法  53 

 

 

232光子被原子或分子系统散射的不同类型  55 

 

 

233共振散射  58 

 

 

24多光子过程：若干光子的产生或者消失  61 

 

 

241双光子自发辐射  61 

 

 

242两个离散态之间的多光子吸收 (以及受激辐射)  62 

 

 

243多光子电离  64 

 

 

244谐波产生  65 

 

 

245多光子散射和准共振散射  66 

 

 

25辐射修正：光子辐射再吸收 (或吸收再辐射)  68 

 

 

251自发辐射修正  69 

 

 

252受激辐射修正  72 

 

 

26交换光子诱导的相互作用  74 

 

 

261两个带电粒子间交换横向光子：库仑相互作用的一阶修正  74 

 

 

262两个中性原子间的范德瓦尔斯相互作用  76 

 

 

27补充材料：光探测信号和关联函数  79 

 

 

271原子型光探测器的简单模型  80 

 

 

272激发几率与关联函数  81 

 

 

273宽带光探测  86 

 

 

274窄带光探测  88 

 

 

目录 XI 

 

275双光探测信号  91 

 

 

28补充材料：泡利 -菲尔兹表象下的辐射修正  93 

 

 

281泡利-菲尔兹变换  94 

 

 

282新表象下的可观测量  97 

 

 

283物理讨论  100

 

 

第 3章跃迁几率幅的非微扰计算  105 

 

 

31演化算符和预解式  106 

 

 

311演化算符满足的积分方程  106 

 

 

312格林函数-传播子  106 

 

 

313哈密顿量的预解式  108 

 

 

32微扰级数的形式化重组  109 

 

 

321解释一个简单模型的图示法  109 

 

 

322使用投影算符的代数方法  111 

 

 

323一些近似的介绍  115 

 

 

33案例研究  117 

 

 

331原子激发态的演化  117 

 

 

332激发态原子自发辐射光的谱分布  122 

 

 

333系统离散能级和连续谱的非直接耦合：兰姆位移的案例  127 

 

 

334离散能级间的间接耦合：多光子跃迁  132 

 

 

34补充材料：预解式的解析性质  137 

 

 

341预解式在实轴外的解析性  137 

 

 

342实轴上的奇点  139 

 

 

343预解式在解析延拓后的非稳态和奇点  140 

 

 

344围道积分与对指数衰减的修正  142 

 

 

35补充材料：被原子散射的光子散射振幅的非微扰表达式  143 

 

 

351未扰动态之间的跃迁几率幅  144 

 

 

352引入精确渐近态  148 

 

 

353精确渐近态之间的跃迁几率幅  150 

 

 

36 补充材料：耦合到有限带宽连续谱的离散态 ――从魏斯考夫-维格纳指数衰减到拉比振荡  154 

 

361引子  154 

 

 

362模型描述  155 

 

 

363重要物理参量  158 

 

 

364图像讨论  160 

 

 

365弱耦合极限  162 

 

 

366中度耦合以及临界耦合  163 

 

 

367强耦合  164

 

 

第 4章被当作热库的辐射：粒子主方程  167 

 

 

41引子与综述  167 

 

 

42推导与热库 R相互作用的小系统 A的主方程  169 

 

 

421相互作用表象下的小系统演化方程  169 

 

 

422关于热库的假设  170 

 

 

423小系统的粗粒化变化率的微扰计算  173 

 

 

424能量态基底下的主方程  175 

 

 

43主方程的物理内涵  177 

 

 

431布居数的演化  177 

 

 

432相干项的演化  179 

 

 

44近似的讨论  180 

 

 

441 A演化时间的量级  180 

 

 

442存在两个时间尺度的条件  181 

 

 

443微扰展开成立的条件  181 

 

 

444 t时刻整体密度算符的因式化  181 

 

 

445小结  182 

 

 

45应用到与辐射场耦合的二能级原子  183 

 

 

451内部自由度演化  183 

 

 

452原子速度的演化  188 

 

 

46补充材料：涨落与线性响应在辐射过程中的应用  196 

 

 

461统计函数和主方程的物理诠释  196 

 

 

462应用到辐射过程  203 

 

 

47补充材料：阻尼谐振子的主方程  209 

 

 

471物理系统  209 

 

 

472主方程的算符形式  210 

 

 

473 HA基底上的主方程  212 

 

 

474在相干态基底下的主方程  214 

 

 

目录 XIII 

 

48补充材料：简单物理系统的量子朗之万方程  217 

 

 

481经典布朗运动理论综述  218 

 

 

482阻尼谐振子的海森伯-朗之万方程  222

 

 

第 5章光学布洛赫方程  230 

 

 

51二能级原子的光学布洛赫方程  231 

 

 

511入射场的描述  231 

 

 

512独立变化率近似  231 

 

 

513旋转波近似  233 

 

 

514赝自旋 1/2系统的几何表示法  235 

 

 

52物理讨论 ――布洛赫方程与其他演化方程的不同  237 

 

 

521与弛豫方程的不同：布居项和相干项之间的耦合  237 

 

 

522与哈密顿演化方程的不同  238 

 

 

523与海森伯-朗之万方程的不同  238 

 

 

53第一个应用 ――原子平均值的演化  239 

 

 

531内部自由度  239 

 

 

532外部自由度与平均辐射力  241 

 

 

54原子辐射光的性质  247 

 

 

541光探测信号：辐射偶极矩的单时和双时平均值  247 

 

 

542辐射光的总光强  249 

 

 

543稳态下散射光的谱分布  251 

 

 

55补充材料：布洛赫 -朗之万方程和量子回归定理  253 

 

 

551原子和场的耦合海森伯方程  253 

 

 

552海森伯-朗之万方程的推导  257 

 

 

553朗之万力的性质  260

 

 

第 6章缀饰态原子方法  266 

 

 

61引言：缀饰态原子  266 

 

 

62缀饰态原子的能级结构  267 

 

 

621激光束的模型  267 

 

 

622原子加激光场总系统的非耦合态  268 

 

 

623原子-激光耦合  269 

 

 

624缀饰态  271 

 

 

625吸收和受激辐射的物理效应  272 

 

 

63缀饰态共振荧光的级联辐射诠释  272 

 

 

631相关时间尺度  273 

 

 

632未耦合基矢的级联辐射  273 

 

 

633缀饰态基矢下的级联辐射  275 

 

 

64缀饰态原子的主方程  278 

 

 

641主方程的一般形式  278 

 

 

642久期极限下缀饰态基底上的主方程  279 

 

 

643级联辐射的准稳态  284 

 

 

65若干应用的讨论  285 

 

 

651荧光三重态各分量的宽度和权重  285 

 

 

652弱探测光的吸收谱  289 

 

 

653光子关联  292 

 

 

654偶极力  297 

 

 

66补充材料：射频波段中的缀饰态原子  301 

 

 

661能级交叉或反交叉有关的共振  301 

 

 

662射频光子缀饰的自旋 21 系统  306 

 

 

663圆偏振光子的简单案例  309 

 

 

664线偏振的射频光子  314 

 

 

67补充材料：激光场存在时的碰撞过程  321 

 

 

671无激光场激发时的碰撞弛豫  322 

 

 

672存在激光场辐射时的碰撞弛豫  324 

 

 

673碰撞诱导的原子辐射和光吸收的修正：碰撞再分布  328 

 

 

674碰撞转移率的计算方案  334

 

 

习题集  337

 

习题 1原子激发态辐射寿命计算：与经典偶极矩阻尼时间的比较  337

 

习题 2被囚禁离子的光子自发辐射：兰姆 -迪克效应  339

 

习题 3瑞利散射  343

 

习题 4汤姆孙散射  346

 

习题 5共振散射  348

 

习题 6原子的两个激发态之间能级交叉的光学探测  351

 

习题 7原子能级的辐射位移：兰姆位移的贝特公式  354 

 

 

目录 XV

 

习题 8轫致辐射：势场内弹性散射的辐射修正  362

 

习题 9低频轫致辐射：红外灾难的非微扰处理  369

 

习题 10与辐射场相互作用导致的粒子回旋频率修正  375

 

习题 11自旋之间的磁相互作用  380

 

习题 12由磁场真空涨落耦合导致的原子磁矩修正  385

 

习题 13波包引起的原子激发：宽带激发和窄带激发  388

 

习题 14近邻双原子系统的自发辐射：超辐射和亚辐射  391

 

习题 15简谐振子的级联辐射  394

 

习题 16细致平衡原理  399

 

习题 17处在相干态的量子场与外场的等价性  401

 

习题 18相干项的绝热消除以及从光学布洛赫方程到弛豫方程的变换  404

 

习题 19二能级原子系综的非线性极化率及若干应用  406

 

习题 20与强光作用的原子对探测光的吸收：饱和吸收的应用  409

 

 

附录库仑规范下的量子电动力学 ――必要结果汇总  419

 

附录 1电磁场的描述  419

 

附录 2粒子  425

 

附录 3库仑规范中的哈密顿量和动力学  425

 

附录 4状态空间  428

 

附录 5长波近似和电偶极表象  429

 

 

参考文献  433

 

 

索引  435