激光与物质相互作用理论

目录 前言 第1章 绪论 1 参考文献 2 第2章 电磁场与原子态的二次量子化理论 4 2.1 光子的能量、动量和角动量 4 2.1.1 光子的能量 4 2.1.2 光子的动量 4 2.1.3 光子的角动量 5 2.2 电磁场量子化和光子数态 5 2.2.1 电磁场的量子化 5 2.2.2 光子数算符和光子数态 8 2.3 原子哈密顿算符的二次量子化 10 2.3.1 原子态的产生算符与湮灭算符 10 2.3.2 旋转波近似 12 2.3.3 原子跃迁算符 12 2.3.4 双能级原子态算符的泡利矩阵表示 13 2.4 光吸收与光辐射理论 14 2.4.1 光吸收与受激辐射的半经典理论 14 2.4.2 光吸收与光辐射的全量子力学理论 17 参考文献 17 第3章 量子刘维尔方程与光学布洛赫方程 18 3.1 密度矩阵及其基本性质 18 3.1.1 纯态与混态 18 3.1.2 密度矩阵的定义与性质 19 3.2 量子刘维尔方程 20 3.3 二能级系统的光学布洛赫方程 21 3.3.1 光学布洛赫方程 22 3.3.2 二能级系统光学布洛赫方程的求解 25 3.4 三能级系统的光学布洛赫方程 26 3.5 约化密度矩阵理论 29 3.5.1 约化密度矩阵满足的时间演化方程 29 3.5.2 约化密度矩阵满足的量子主方程 30 3.5.3 马尔可夫近似 32 参考文献 33 第4章 多光子激发与电离的量子力学微扰理论 35 4.1 量子力学微扰理论 35 4.2 原子与电磁场相互作用势 38 4.3 原子吸收和辐射单光子的跃迁速率 38 4.3.1 吸收单光子的跃迁速率 38 4.3.2 辐射单光子的跃迁速率 40 4.4 原子吸收多光子的跃迁速率 41 4.4.1 吸收双光子的跃迁速率 41 4.4.2 吸收三光子的跃迁速率 42 4.5 原子的多光子电离 44 参考文献 45 第5章 含时量子波包理论及其计算方法 46 5.1 波包的基本概念 46 5.2 格点表象、有限基矢表象和快速傅里叶变换 48 5.2.1 格点表象和有限基矢表象 48 5.2.2 快速傅里叶变换 49 5.3 绝热表象与玻恩-奥本海默近似 50 5.3.1 绝热表象中原子核波函数满足的本征值方程 50 5.3.2 玻恩-奥本海默近似 51 5.3.3 在外场中核波函数满足的微分方程 52 5.4 初始波包及其计算方法 53 5.4.1 傅里叶网格哈密顿方法 53 5.4.2 离散变量表象方法 55 5.4.3 碰撞反应与光缔合反应的初始波包 56 5.5 波包的时间演化 57 5.5.1 二阶差分方法 58 5.5.2 二阶分裂算符方法 58 5.5.3 切比雪夫多项式方法 59 5.6 含时量子波包方法的应用 60 参考文献 65 第6章 角动量耦合与统计张量理论 68 6.1 角动量算符及其基本性质 68 6.1.1 轨道角动量算符 68 6.1.2 电子自旋角动量算符 70 6.1.3 角动量算符的一般性质 70 6.2 角动量耦合理论 71 6.2.1 两个角动量耦合与3-j符号 71 6.2.2 三个角动量耦合与6-j符号 75 6.2.3 四个角动量耦合与9-j符号 77 6.2.4 3-j符号、6-j符号和9-j符号之间的关系 79 6.3 转动变换与D函数 81 6.3.1 转动算符与D函数的性质 81 6.3.2 对称陀螺分子的波函数 84 6.4 球张量算符 86 6.4.1 球张量算符的定义 86 6.4.2 Wigner-Eckart定理 88 6.4.3 一阶球张量的投影定理和两个球张量的乘积 90 6.5 不可约张量算符 92 6.6 密度矩阵与态多极矩 94 6.7 分子基态和激发态多极矩 96 参考文献 98 第7章 光与物质相互作用的矢量性质 100 7.1 探测分子定向与取向的碰撞诱导荧光方法 100 7.2 探测分子定向与取向的激光诱导荧光方法 104 7.3 利用超短脉冲激光控制分子定向与取向的理论描述 106 7.3.1 计算分子定向与取向参数的含时量子波包理论 106 7.3.2 计算分子定向与取向参数的密度矩阵理论 107 7.3.3 控制分子定向与取向的激光脉冲 108 7.3.4 控制分子定向与取向的例子 110 7.4 定向分子的光解离理论 113 7.4.1 分子的定向 113 7.4.2 定向分子的光解离与解离产物的角分布函数 114 7.5 定向分子的光电离与光电子角分布理论 115 7.5.1 分子的预定向 115 7.5.2 定向分子的多光子激发与电离 116 7.5.3 应用举例：LiH分子的定向、多光子激发与电离 117 7.6 光解离产物的角分布理论 121 7.7 (n+1)-REMPI光电子角分布理论 125 7.8 离子成像理论分析 127 参考文献 131 第8章 超快光物理与光化学动力学的基本理论 135 8.1 激发态的产生与衰减 135 8.1.1 激发态的产生 135 8.1.2 激发态的衰减 137 8.1.3 激发态产生与衰减过程跃迁图 138 8.2 单分子光物理过程的速率方程 139 8.2.1 单分子光物理过程 139 8.2.2 简单的三能级速率方程 140 8.2.3 跃迁速率与量子效率 141 8.3 纳秒量级的分子激发态动力学 142 8.3.1 光激发与辐射衰减过程 142 8.3.2 辐射与无辐射跃迁速率 143 8.3.3 含有猝灭反应的快速动力学过程 143 8.4 皮秒和飞秒量级的分子激发态动力学 144 8.4.1 皮秒和飞秒量级超快动力学过程 144 8.4.2 超快动力学过程的实验研究方法 145 8.4.3 瞬态极化理论 145 8.5 飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱 147 8.5.1 飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱技术的基本原理 147 8.5.2 液相染料分子的超快振动弛豫 148 8.5.3 叶绿素分子在乙酸乙酯和二乙醚溶剂中的超快内转换过程 150 参考文献 153 第9章 利用激光控制化学反应的基本理论 156 9.1 弱激光场相干控制的基本理论 157 9.2 单分子光解离反应的双光子控制方案 158 9.3 分子光解离反应的单光子与三光子控制方案 159 9.4 原子与分子碰撞反应的相干控制方案 160 9.5 强激光场相干控制化学反应的基本理论 161 9.6 相干控制理论的实验验证 163 参考文献 166 附录A 常用的3-j符号代数表达式 170 附录B 常用的6-j符号代数表达式 172