Institut für Quantenoptik

Quantenoptik
Einführung in die
Quantenoptik
Sommersemester 2004
J. Arlt
W. Ertmer
Institut für Quantenoptik
Fachbereich Physik
Universität Hannover
Quantenoptik
• Vorlesungssprache ?
• Vorlesende:
J. Arlt
Raum D409
Tel: 762 2238
Sprechstd. JEDERZEIT
W. Ertmer
Raum D107
Tel: 762 2231
Sprechstd. nach Absprache
• Powerpoint Folien: www.iqo.uni-hannover.de
-> Education
• Erwerb eines Übungsscheins
• Teilnehmer:
Studiensemester ?
Teilnahme an der Vorlesung „Optik und Photonik“ ?
Quantenoptik
Datum
14.04. Mi
19.04. Mo
21.04. Mi
26.04. Mo
28.04. Mi
03.05. Mo
05.05. Mi
10.05. Mo
12.05. Mi
17.05. Mo
19.05. Mi
24.05. Mo
26.05. Mi
31.05. Mo
02.06. Mi
07.06. Mo
09.06. Mi
14.06. Mo
16.06. Mi
21.06. Mo
23.06. Mi
28.06. Mo
30.06. Mi
05.07. Mo
07.07. Mi
12.07. Mo
14.07. Mi
19.07. Mo
21.07. Mi
Thema
Einführung
Verlesung entfällt!
Vorlesung: G. Birkl
Vorlesung entfällt - Pfingsten!
Vorlesung entfällt - Pfingsten!
Institutsführung
Literatur
Quantenoptik
Termin
03.05.
10.05.
17.05.
24.05.
07.06.
14.06.
21.06.
28.06.
05.07.
12.07.
Titel
Welle-Teilchen Dualismus:
Youngscher Doppelspalt
Resonatoreigenschaften: FabryPerot Cavity im Experiment
Modulation von Licht I:
Elektro-Optische Modulatoren
Modulation von Licht II:
Akusto-Optische Modulatoren
Sagnac Interferometer zur
Rotationsmessung
Licht-Materie Wechselwirkung:
Spektroskopie an Rubidium
Laserstabilisierung in Frequenz
und Intensität
Laserrauschen
Photonenstatistik verschiedener
Lichtquellen
Frequenzverdopplung
Vortragender
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Quantenoptik ?!
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
Physik I-IV
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Theo. Physik I
Atomphysik
Nichtlineare Optik
Optik und Photonik
Laserspektroskopie
Nicht-klassische
Interferometrie
Quantum Information
Theory
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
Physik I-IV
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Theo. Physik I
Atomphysik
Nichtlineare Optik
Optik und Photonik
Laserspektroskopie
Nicht-klassische
Interferometrie
Quantum Information
Theory
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
Physik I-IV
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Theo. Physik I
Atomphysik
Nichtlineare Optik
Optik und Photonik
Laserspektroskopie
Nicht-klassische
Interferometrie
Quantum Information
Theory
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
Physik I-IV
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Theo. Physik I
Atomphysik
Nichtlineare Optik
Optik und Photonik
Laserspektroskopie
Nicht-klassische
Interferometrie
Quantum Information
Theory
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
Physik I-IV
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Theo. Physik I
Atomphysik
Nichtlineare Optik
Optik und Photonik
Laserspektroskopie
Nicht-klassische
Interferometrie
Quantum Information
Theory
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
Physik I-IV
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Theo. Physik I
Atomphysik
Nichtlineare Optik
Optik und Photonik
Laserspektroskopie
Nicht-klassische
Interferometrie
Quantum Information
Theory
Quantenoptik
Inhalt der Vorlesung:
Physik I-IV
1.
Einführung
2.
Maxwellgleichungen und EM Wellen
3.
Resonatoren
4.
Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch / halbklassisch)
5.
Laserdynamik
6.
Maser- und Lasertypen
7.
Kurzpulslaser
8.
Quantisierung des EM-Feldes
9.
Zustände des EM-Feldes
10. Entanglement
Theo. Physik I
Atomphysik
Nichtlineare Optik
Optik und Photonik
Laserspektroskopie
Nicht-klassische
Interferometrie
Quantum Information
Theory
Quantenoptik
Literatur zur Quantenoptik SS 2004
[1] R. Loudon. The Quantum Theory of Light. Oxford Univ. Press, 2nd edition, 1983
[2] A. Yariv. Quantum Electronics. Wiley, 2nd edition, 1975
[3] C. Davis. Lasers and Electro-Optics, Cambridge University Press, 1996
[4] W. Demtröder. Laserspektroskopie. Springer-Verlag, 1993
[5] D. Meschede. Optik, Licht und Laser. Teubner, 1999
[6] Hans-A. Bachor. A guide to experiemnts in quantum optics. Wiley, 1998
[7] M. Scully and M. Zubairy. Quantum Optics. Cambridge Univ. Press, 1997
[8] H. Haken. Licht und Materie. Band 1 Wissenschaftsverlag, 2 Auflage, 1989
[9] L. Allen and J. Eberly. Optical resonance and tow-level Atoms. Wiley, 1975
[10] A. Siegman. Lasers. University Science Books, 1986
Quantenoptik
Termin
03.05.
10.05.
17.05.
24.05.
07.06.
14.06.
21.06.
28.06.
05.07.
12.07.
Titel
Welle-Teilchen Dualismus:
Youngscher Doppelspalt
Resonatoreigenschaften: FabryPerot Cavity im Experiment
Modulation von Licht I:
Elektro-Optische Modulatoren
Modulation von Licht II:
Akusto-Optische Modulatoren
Sagnac Interferometer zur
Rotationsmessung
Licht-Materie Wechselwirkung:
Spektroskopie an Rubidium
Laserstabilisierung in Frequenz
und Intensität
Laserrauschen
Photonenstatistik verschiedener
Lichtquellen
Frequenzverdopplung
Vortragender
Quantenoptik
1 Einleitung: Was ist die Quantenoptik?
Def 1: „Die QO ist ein Gebiet der Atom- und
Molekülphysik die sich mit Lasern beschäftigt.“
Def 2: „Die QO beschäftigt sich mit Bereichen in denen die
Teilchen-Welle Dualität sichtbar wird.“
• „aktivstes“ Gebiet der Physik seit ca. 1960
• staken Einfluß auf das „tägliche Leben“
• starker Einfluß auf andere Bereiche der Physik
in Hannover:
Institut für Quantenoptik
Laserzentrum Hannover
Albert-Einstein Institut für Gravitationsphysik
Quantenoptik
Historische Entwicklung der QO - Übersicht
1900 M. Planck: Hypothese E=hν
1917 A. Einstein: prinzipielle Grundlagen
1951 Purcell: Induzierte Emission von LiF-Kristallen
1955 Gordon,Zeiger, Townes: NH3 MASER
Quantenoptik
Quantenoptik
1956
Kohärenzexperimente von Hanbury-Brown und Twiss
1958
Shawlow, Townes: Vorschlag eines opt. Resonators
1960
Maiman: Rubinlaser (3-Niveau System)
Quantenoptik
1960
He-Ne laser (4-Niveau System)
1962
erste Halbleiterlaser (mehrere Gruppen)
1964
chemische Laser
1966
Farbsofflaser (erstmals schmalbandig / durchstimmbar)
1970
erster kontinuierlicher (cw) Farbstofflaser
Quantenoptik
Kapitel 2:
Maxwell Gleichungen und EM-Felder
2.1 Maxwell Gleichungen und einfache Lösungen
∂D
∇× H = j +
∂t
∂B
∇× E = −
∂t
∇⋅B = 0
∇⋅D = ρ
H , E : magnetische und elektrische Feldvektoren
B, D : magnetische und elektrische Verschiebevektoren
ρ:
j:
Ladungsdichte
Stromdichte
Es gilt:
D = ε0 ⋅ E + P
B = µ0 (H + M )
M , P : magnetische und elektrische Polarisationsvektoren
µ 0 , ε 0 : magnetische und elektrische Feldkonstante
Quantenoptik
Für isotrope Medien:
B = µ0 µr H
D = ε 0ε r E
µr :
εr :
Permeabilitätszahl
Dielektrizitätszahl
Spezialfall: Medien ohne freie Ladungen und Ströme:
=>
j =ρ =0
Maxwellgleichungen für isotrope Medien ohne freie Ladungen
und Ströme (typisch für optische Materialien)
∂E
∇ × H = ε 0ε r
∂t
∂H
∇ × E = −µ0 µ r
∂t
∇⋅B = 0
∇⋅D = 0
Quantenoptik
im Vakuum:
µr , ε r = 1
µ 0ε 0 =
1
c2
c: Vakuumlichtgeschwindigkeit
in dielektrischen Medien:
µr ⋅ ε r = n2
n: Brechungsindex
Quantenoptik
aus den Maxwell-Gleichungen folgt:
∂ ∇ × (∇ × H ) − ε 0ε r (∇ × E ) = 0
∂t
2
∂ H
∇ ⋅ (∇ ⋅ H ) − ∆H + µ r ε r µ 0ε 0 2 = 0
∂t
wobei
∇ × (∇ × H ) = ∇ ⋅ (∇ ⋅ H ) − ∆H
und
∂2
∂2
∂2
∆ = ∇ ⋅∇ = 2 + 2 + 2
∂x
∂y
∂z
angewandt wurden.
Zur Erinnerung :
∂E
∇ × H = ε 0ε r
∂t
∂H
∇ × E = − µ0 µr
∂t
Quantenoptik
∂2 mit ∇ ⋅ H = 0 folgt : ∆H - µ r ε r µ 0ε 0 2 H = 0
∂t
Wellengleichungen für H und E
2
2
2
2
n ∂ H
n ∂ E
∆H - 2
=0
und
∆E - 2 2 = 0
2
c ∂t
c ∂t
Quantenoptik
Lösungsansatz für den Elektrischen FeldvektorE :
2π
E ~ exp[iωt − ikz] = exp[i
ct − ikz]
λ
also : E ist ebene Welle mit ω = 2πν = 2πc / λ = k ⋅ c
ω : Kreisfrequenz,ν : Frequenz,λ : Wellenlänge,
k : Wellenzahl (k = k mit k : Wellenvektor)
Helmholtz- Gleichung: zeitunabhängige Wellengleichung für E :
2 2
2
∆E + n k E = 0; im Vakuum ∆E + k E = 0
Quantenoptik
Lösung der Helmholtz-Gelichung mit einer ebenen Welle
E0 (r , t ) = Eˆ 0 cos(n0 k 0 r − ω0t )
Eˆ 0 : Amplitudenvektor
=> geometrische Optik
Wellenausbreitung an optischen Grenzflächen Fresnel‘sche Formeln
=> z.B. Brechungsgesetz, Brewsterwinkel, Totalreflexion
s. Vorlesung Optik und Photonik
Quantenoptik
2.2 Matrix Formalismus der geometrischen Optik
Quantenoptik
Quantenoptik
Quantenoptik
Matrix-Formalismus für
die Propagation von
Strahlen (ABCDMatrizen)
Quantenoptik