Περιγραφή Μαθήματος

Η θεματολογία αντιστοιχεί στο περιεχόμενο του υποχρεωτικού μαθήματος "Κβαντική Οπτική και Lasers" της Κατεύθυνσης Φυσικής Στερεάς Κατάστασης του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών (ΕΚΠΑ). Έτσι εστιάζουμε στη κβαντική οπτική, ενώ περιγράφονται και οι αρχές λειτουργίας των laser χωρίς όμως να επεκτεινόμαστε σε τεχνικές λεπτομέρειες. Οι ενότητες που διδάσκονται είναι κυρίως: Εισαγωγή στην κβαντική φύση του φωτός, π.χ. μέλαν σώμα, νόμοι Planck, Rayleigh-Jeans, Wien, Stefan-Boltzmann, ΗΜ κύματα: συνοριακές συνθήκες, κανονικοί τρόποι κοιλότητας. Στοιχειώδης αριθμός κανονικών τρόπων ΗΜ πεδίου ανά στοιχειώδες διάστημα συχνότητας. Μηχανισμοί Einstein αλληλεπιδράσεως ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ακτινοβολίας - ύλης (δισταθμικού συστήματος). Εξαναγκασμένες και αυθόρμητες διεργασίες απορροφήσεως και εκπομπής. Εξαγωγή του νόμου Planck από τους μηχανισμούς εκπομπής και απορροϕήσεως και τη στατιστική Boltzmann. Σχέση συντελεστών Einstein A και B. Διακριτό ϕάσμα: άτομα και μόρια, κέντρα χρώματος, τεχνητά άτομα και μόρια. Κέντρα χρώματος. Κβαντικές τελείες. Ημικλασική αντιμετώπιση της αλληλεπιδράσεως ΗΜ ακτινοβολίας - ύλης (δισταθμικού συστήματος). ΗΜ πεδίο: κλασικά, Δισταθμικό σύστημα π.χ. άτομο ή κβαντική τελεία: κβαντικά. Αδιατάρακτο σύστημα (δηλαδή χωρίς ΗΜ πεδίο). Διαταραγμένο σύστημα (δηλαδή εντός ΗΜ πεδίου). Χρονικά εξαρτημένη θεωρία διαταραχών. Διπολική Ροπή. Εξισώσεις που περιγράϕουν τη χρονική εξέλιξη δισταθμικού συστήματος και επίλυσή τους. Συχνότητα Rabi. Προσέγγιση περιστρεϕομένου κύματος (Rotating Wave Approximation). Υπολογισμός των συντελεστών Einstein. Άτομο Υδρογόνου. Υπολογισμός των στοιχείων πίνακα της διπολικής ροπής ατόμου. Επιτρεπόμενες και μη μεταβάσεις. Κανόνες επιλογής. Κβαντική αντιμετώπιση της αλληλεπιδράσεως ΗΜ ακτινοβολίας - ύλης (κυρίως δισταθμικού συστήματος). Κβάντωση ΗΜ πεδίου. Χαμιλτονιανή ΗΜ πεδίου με τελεστές καταστροϕής και δημιουργίας ϕωτονίων. Χαμιλτονιανή δισταθμικού ατόμου με σπίνορες. Χαμιλτονιανή αλληλεπιδράσεως δισταθμικού ατόμου - ΗΜ πεδίου. Σχέσεις μεταθέσεως και αντιμεταθέσεως. Αναμενόμενες τιμές μεγεθών για τη Χαμιλτονιανή Jaynes-Cummings. Απορρόϕηση ϕωτονίου. Εκπομπή φωτονίου. Κβάντωση πεδίων. Βασικές αρχές λειτουργίας των lasers. Μηχανισμοί αντλήσεως. Εξισώσεις ρυθμών με δύο στάθμες LASER και δύο επικουρικές στάθμες. Χρόνος ζωής στάθμης. Άντληση. Σχετικές πιθανότητες. Απώλειες ακτινοβολίας στα κάτοπτρα. Εξισώσεις ρυθμών για τους πληθυσμούς των σταθμών laser και για την πυκνότητα ακτινοβολίας. Πληθυσμοί των σταθμών και πυκνότητα ακτινοβολίας στη στάσιμη κατάσταση. Κρίσιμη άντληση. Αναστροϕή πληθυσμού. Διάφορα είδη laser. Διαμήκεις τρόποι και εγκάρσιοι τρόποι ΗΜ πεδίου σε κοιλότητα (ορθογώνια παραλληλεπίπεδη και κυλινδρική). Άλλα θέματα όπως: Εξισώσεις Fresnel. Γωνία Brewster. Ολική εσωτερική ανάκλαση. Εκπομπή πολωμένης δέσμης. Πίνακας πυκνότητας. Θέματα σχετικά με τις ιδιότητες και τη λειτουργία των lasers.

Video-Διαλέξεις