一本很好的光学英文书: fanta_OPTICS.part1.rar

非常清晰,英文版光学书
很好读,
The Light Fantastic----A Modern Introduction to Classical
and Quantum Optics

I. R. Kenyon
School of Physics and Astronomy
University of Birmingham

Contents
1 Introduction 1
1.1 Aims and contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Electromagnetic waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 The velocity of light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 A sketch of electromagnetic wave theory . . . . . . . . . . 10
1.4.1 More general waveforms . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 The electromagnetic spectrum. . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.1 Visible spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6 Absorption and dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7 Radiation terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.8 Black body radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.9 Doppler shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 Reflection and refraction at plane surfaces 31
2.1 Light rays and Huygens’ principle . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1 The laws of reflection . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.2 Snell’s law of refraction . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.3 Fermat’s principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.4 Simple imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.5 Deviation of light by a triangular prism . . . . . . 36
2.2 Total internal reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.1 Constant deviation prism . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 Porro prisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.3 Corner cube reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.4 Pulfrich refractometer . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 Optical fibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Spherical mirrors and lenses 45
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1 Cartesian sign convention . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 Spherical mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 Ray tracing for mirrors . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Refraction at a spherical interface . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Thin lens equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.1 Ray tracing for lenses . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Magnifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6 Matrix methods for paraxial optics . . . . . . . . . . . . 55
3.6.1 The equivalent thin lens . . . . . . . . . . . . . . 58
3.7 Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.7.1 Monochromatic aberrations . . . . . . . . . . . . . 59
3.7.2 Spherical aberration . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.7.3 Coma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.7.4 Astigmatism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7.5 Field curvature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7.6 Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.7.7 Chromatic aberration . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.8 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Optical instruments 73
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 The refracting telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1 Field of view . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Etendue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3 Telescope objectives and eyepieces . . . . . . . . . . . . . 79
4.4 The microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5 Cameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.5.1 Camera lens design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.2 SLR camera features . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.3 Telecentric lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.4 Telephoto lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5.5 Zoomlenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6 Graded index lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.7 Aspheric lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.8 Fresnel lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5 Interference effects and interferometers 95
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2 The superposition principle . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3 Young’s two slit experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3.1 Fresnel’s analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3.2 Interference by amplitude division . . . . . . . . . 101
5.4 Michelson’s interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.1 The constancy of c . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.5 Coherence and wavepackets . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.5.1 The frequency content of wavepackets . . . . . . . 109
5.5.2 Optical beats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.5.3 Coherence area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.6 Stokes’ relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.7 Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.7.1 The Twyman–Green interferometer . . . . . . . . . 114
5.7.2 The Fizeau interferometer . . . . . . . . . . . . . . 115
5.7.3 The Mach–Zehnder interferometer . . . . . . . . . 116
5.7.4 The Sagnac interferometer . . . . . . . . . . . . . 116
5.8 Standing waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
CONTENTS xv
5.9 The Fabry–Perot interferometer . . . . . . . . . . . . . . 121
6 Diffraction 129
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Huygens–Fresnel analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3 Single slit Fraunhofer diffraction . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4 Diffraction at a rectangular aperture . . . . . . . . . . . . 133
6.5 Diffraction from multiple identical slits . . . . . . . . . . 134
6.6 Babinet’s principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.7 Fraunhofer diffraction at a circular hole . . . . . . . . . . 138
6.8 Diffraction gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.9 Spectrometers and spectroscopes . . . . . . . . . . . . . . 141
6.9.1 Grating structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.9.2 Etendue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.9.3 Czerny–Turner spectrometer . . . . . . . . . . . . 144
6.9.4 Littrow mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.9.5 Echelle grating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.9.6 Automated spectrometers . . . . . . . . . . . . . . 146
6.10 Fresnel and Fraunhofer diffraction . . . . . . . . . . . . . 146
6.11 Single slit Fresnel diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.11.1 Lunar occultation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.12 Fresnel diffraction at screens with circular symmetry . . . 151
6.12.1 Zone plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.13 Microprocessor lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.14 Near field diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.15 Gaussian beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.15.1 Matrix methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7 Fourier optics 163
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.2 Fourier analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.2.1 Diffraction and convolution . . . . . . . . . . . . . 166
7.3 Coherence and correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.1 Power spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.3.2 Fourier transform spectrometry . . . . . . . . . . 176
7.4 Image formation and spatial transforms . . . . . . . . . . 181
7.5 Spatial filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.5.1 Schlieren photography . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.5.2 Apodization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.6 Acousto-optic Bragg gratings . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.6.1 Microwave spectrum analysis . . . . . . . . . . . . 186
7.7 Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.7.1 Principles of holography . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.7.2 Hologram preparation . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.7.3 Motion and vibration analysis . . . . . . . . . . . . 190
7.7.4 Thick holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.8 Optical information processing . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.8.1 The 4f architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
xvi CONTENTS
7.8.2 Data storage and retrieval . . . . . . . . . . . . . . 194
8 Astronomical telescopes 197
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.2 Telescope design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.2.1 Auxiliary equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.3 Schmidt camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.4 Atmospheric turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.5 Adaptive optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.6 Michelson’s stellar interferometer . . . . . . . . . . . . . 208
8.7 Modern interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.8 Aperture synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.9 Aperture arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.10 Image recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.11 Comparisons with radioastronomy . . . . . . . . . . . . . 219
8.12 Gravitational wave detectors . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.12.1 Laser-cavity locking . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.12.2 Noise sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.13 Gravitational imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9 Classical electromagnetic theory 229
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.2 Maxwell’s equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.3 The wave equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
9.3.1 Energy storage and energy flow . . . . . . . . . . . 236
9.4 Electromagnetic radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.5 Reflection and refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9.6 Fresnel’s equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.7 Interference filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.7.1 Analysis of multiple layers . . . . . . . . . . . . . 249
9.7.2 Beamsplitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
9.8 Modes of the electromagnetic field . . . . . . . . . . . . . 255
9.8.1 Mode counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
9.9 Planar waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9.9.1 The prism coupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10 Polarization 265
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
10.2 States of polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
10.3 Dichroism and Malus’ law . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10.4 Birefringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
10.4.1 Analysis of birefringence . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.4.2 The index ellipsoid . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.4.3 Energy flow and rays . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10.4.4 Huygens’ construction . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.5 Wave plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
10.5.1 Jones vectors and matrices . . . . . . . . . . . . . 277
10.5.2 Prismseparators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
CONTENTS xvii
10.5.3 Polarizing beam splitters and DVD readers . . . . 280
10.6 Optical activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
10.7 Effects of applied electromagnetic fields . . . . . . . . . . 282
10.7.1 Pockels effect and modulators . . . . . . . . . . . 283
10.7.2 Kerr effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
10.7.3 Faraday effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
10.8 Liquid crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
10.8.1 The twisted nematic LCD . . . . . . . . . . . . . . 289
10.8.2 In-plane switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.8.3 Polymer dispersed liquid crystals (PDLC) . . . . 293
10.8.4 Ferroelectric liquid crystals (FELC) . . . . . . . . 294
10.9 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
11 Scattering, absorption and dispersion 297
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
11.2 Rayleigh scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
11.2.1 Coherent scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.3 Mie scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
11.4 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
11.5 Dispersion and absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
11.5.1 The atomic oscillator model . . . . . . . . . . . . 305
11.6 Absorption by, and reflection off metals . . . . . . . . . . 309
11.6.1 Plasmas in metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
11.6.2 Group and signal velocity . . . . . . . . . . . . . . 316
11.6.3 Surface plasma waves . . . . . . . . . . . . . . . . 319
11.7 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
12 The quantum nature of light and matter 325
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.2 The black body spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
12.3 The photoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
12.4 The Compton effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
12.5 de Broglie’s hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12.6 The Bohr model of the atom . . . . . . . . . . . . . . . . 336
12.6.1 Beyond hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
12.6.2 Weaknesses of the Bohr model . . . . . . . . . . . 341
12.7 Wave–particle duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
12.8 The uncertainty principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
12.9 Which path information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.10 Wavepackets and modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
12.10.1Etendue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
12.11 Afterword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
12.12 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13 Quantum mechanics and the atom 353
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
13.2 An outline of quantum mechanics . . . . . . . . . . . . . . 354
13.3 Schroedinger’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
xviii CONTENTS
13.3.1 The square potential well . . . . . . . . . . . . . . 357
13.4 Eigenstates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
13.4.1 Orthogonality of eigenstates . . . . . . . . . . . . . 360
13.5 Expectation values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
13.5.1 Collapse of the wavefunction . . . . . . . . . . . . 363
13.5.2 Compatible, or simultaneous observables . . . . . . 363
13.6 The harmonic oscillator potential . . . . . . . . . . . . . 365
13.7 The hydrogen atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
13.8 The Stern–Gerlach experiment . . . . . . . . . . . . . . . 370
13.9 Electron spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
13.10Multi-electron atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
13.10.1Resonance fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . 375
13.10.2Atoms in constant fields . . . . . . . . . . . . . . . 375
13.11 Photon momentum and spin . . . . . . . . . . . . . . . . 376
13.12 Quantumstatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
13.13 Line widths and decay rates . . . . . . . . . . . . . . . . 380
13.14 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
14 Lasers 383
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
14.2 The Einstein coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
14.3 Prerequisites for lasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
14.4 The He:Ne laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.4.1 Three and four level lasers . . . . . . . . . . . . . . 390
14.4.2 Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
14.4.3 Cavitymodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
14.4.4 Hole burning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
14.4.5 Laser speckles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
14.4.6 Optical beats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
14.5 The CO2 gas laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
14.6 Organic dye lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
14.6.1 Saturation spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 400
14.6.2 Cavity ring-down spectroscopy . . . . . . . . . . . 402
14.6.3 A heterodyne laser interferometer . . . . . . . . . 404
14.7 Introducing semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
14.7.1 DH lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
14.7.2 DFB lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
14.7.3 Limiting line widths . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
14.8 Quantumwell lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
14.8.1 Vertical cavity lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
14.9 Nd:YAG and Nd:glass lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
14.9.1 Q switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
14.10 Ti:sapphire lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
14.11 Optical Kerr effect and mode locking . . . . . . . . . . . 425
14.11.1Mode locking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
14.12 Frequency combs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
14.12.1Optical frequency measurement . . . . . . . . . . 430
14.13 Extreme energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
CONTENTS xix
14.14 Second order non-linear effects . . . . . . . . . . . . . . 432
14.14.1Raman scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
14.14.2Brillouin scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
14.14.3Stimulated Raman and Brillouin scattering. . . . . 438
14.15 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
15 Detectors 441
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
15.2 Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
15.3 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
15.3.1 Dark current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
15.4 Photodiode response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
15.4.1 Speed of response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
15.4.2 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
15.4.3 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
15.4.4 Solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
15.5 Avalanche photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
15.6 Schottky photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
15.7 Imaging arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
15.7.1 Quantum efficiency and colour . . . . . . . . . . . 463
15.7.2 CCD readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
15.7.3 Noise and dynamic range . . . . . . . . . . . . . . 466
15.7.4 CMOS arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
15.8 Photomultipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
15.8.1 Counting and timing . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
15.9 Microchannel plates and image intensifiers . . . . . . . . . 471
15.10 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
16 Optical fibres 475
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
16.2 Attenuation in optical fibre . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
16.3 Guided waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
16.4 Fibre types and dispersion properties . . . . . . . . . . . 482
16.5 Signalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
16.6 Sources and detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
16.7 Connectors and routing devices . . . . . . . . . . . . . . . 490
16.7.1 Directional couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
16.7.2 Circulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
16.7.3 MMI devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
16.8 Link noise and power budget . . . . . . . . . . . . . . . . 493
16.9 Long haul links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
16.9.1 Fibre amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
16.9.2 Dispersion compensation . . . . . . . . . . . . . . 499
16.10Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
16.10.1Thin film filters and Bragg gratings . . . . . . . . 500
16.10.2Array waveguide gratings . . . . . . . . . . . . . . 502
16.10.3MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
16.11 Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
xx CONTENTS
16.11.1Communication using solitons . . . . . . . . . . . . 508
16.12 Fibre optic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
16.12.1Fibre Bragg sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
16.12.2The fibre optic gyroscope . . . . . . . . . . . . . . 510
16.13 Optical current transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
16.14 Photonic crystal fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
16.15 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
17 Quantum interactions 519
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
17.2 Transition rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
17.2.1 Selection rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
17.2.2 Electric susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . 528
17.3 Rabi oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
17.4 Dressed states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
17.5 Electromagnetically induced transparency . . . . . . . . . 538
17.5.1 Slow light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
17.6 Trapping and cooling ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
17.7 Shelving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
17.8 Optical clocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
17.9 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
18 The quantized electromagnetic field 555
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
18.2 Second quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
18.2.1 Continuous variables . . . . . . . . . . . . . . . . 562
18.3 First order coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
18.4 Second order coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
18.5 Laser light and thermal light . . . . . . . . . . . . . . . . 567
18.5.1 Coherent (laser-like) states of the electromagnetic
field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
18.5.2 Thermal light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
18.6 Observations of photon correlations . . . . . . . . . . . . . 573
18.6.1 Stellar correlation interferometer . . . . . . . . . . 574
18.7 Entangled states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
18.7.1 Beamsplitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
18.7.2 Spontaneous parametric down conversion . . . . . 576
18.8 The HOMinterferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
18.9 Franson–Chiao interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . 581
18.10Complementarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
18.10.1 Delayed choice and quantum erasure . . . . . . . 584
18.11Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586

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