Оригинално заглавие:

Université de Grenoble Ecole d'été de Physique Théorique Les Houches 1964

OPTIQUE ET ELECTRONIQUE QUANTIQUES QUANTUM OPTICS AND ELECTRONICS

Lectures delivered at Les Houches during the 1964 session of the Summer School of Theoretical Physics University of Grenoble edited by: C. DeWITT Centre National de la Recherche Scientifique A. BLANDIN Faculté des Sciences—Orsay C. COHEN - TANNOUDJI Ecole Normale Supérieure—Paris

*

Авторски колектив

У. Лэмб, Н. Кролль, Ж. Вантер, Р. Глаубер

**

**

Предисловие редакторов перевода

Каждое лето начиная с 1951 г. молодые специалисты из различных стран мира собираются на сессию летней школы теоретической физики Гренобльского университета в местечке Лезуш в бывшем старинном имении, недалеко от небольшого курорт­ного города Шамони у подножья Монблана во французских Альпах.

Целью летней школы является ознакомление молодых физиков, недавно окончивших университет, и аспирантов, готовящих свои диссертации, с новейшими достижениями физики.

В первые годы своего существования сессии школы не имели определенной тематической направленности, однако в последние годы каждая сессия посвящалась изучению какой-либо одной из наиболее важных и актуальных проблем современной физики.

Отдельные сессии были посвящены, например, проблеме ядер­ных сил, физике элементарных частиц, теории относительности и гравитации, проблеме многих тел, физике плазмы. Темой сессии 1964 г. была квантовая радиофизика.

Для чтения лекций обычно приглашаются наиболее видные ученые из различных стран мира. В числе профессоров школы в разное время были Э. Ферми, В. Вайскопф, В. Паули, В. Шо-кли, Д. Юз, Р. Маршак, Н. Рамси, Ю. Швингер, Ч. Таунс, А. Джаван, Е. Вигнер и другие.

Число слушателей школы (их там называют «студентами») обычно ограничивается 30—40. Это ограничение связано главным образом с тем, чтобы дать возможность молодым физикам разных стран поближе познакомиться друг с другом и создать атмосферу плодотворных научных дискуссий как между «студентами», так и между «студентами» и профессорами. Сессии школы начинаются в первый понедельник июля и длятся восемь недель.

Большая часть лекций, прочитанных в школе, была записана и подготовлена к печати самими студентами с участием профессо­ров, которые обычно просматривали записи и вносили свои заме­чания, но не имели времени для обработки и редактирования.

Предлагаемые вниманию читателей лекции по квантовой опти­ке и радиофизике, состоящие из нескольких циклов, были прочи­таны летом 1964 г. В этих лекциях, носящих теоретический характер, рассматриваются преимущественно наиболее устоявшие­ся вопросы современной квантовой радиофизики и сравнительно мало места уделено экспериментальным исследованиям и работам проблематичного характера.

При подготовке русского издания часть циклов лекций была опущена. Это было обусловлено тем, что в настоящее время на рус­ском языке имеется уже значительное число книг по квантовой радиофизике, и каждая последующая публикация является целе­сообразной лишь в том случае, если ее содержание не слишком сильно перекрывается с ранее выпущенными. Так, например, интересные лекции проф. Н. Бломбергена по нелинейной оптике более подробно изложены в его недавно вышедшей книге ^х) и поэто­му не включены в настоящий сборник. Не включены также лекции проф. А. Джавана и Ж. Брюсселя, так как содержание их лекций в значительной степени уже знакомо советскому читателю по ранее выпущенным изданиям.

В настоящую книгу вошли следующие четыре цикла лекций.

1. «Квантовая теория излучения». Лектор — профессор Кали­форнийского университета Н. Кролль. Курс посвящен квантовой теории электромагнитного поля и квантовой теории взаимодействия света с веществом, процессов излучения и поглощения света, теории ширины спектральной линии. Изложение проф. Кролля отличает­ся общностью подхода, последовательностью и оригинальностью. Эта лекция может служить хорошим введением к курсу кванто­вой радиофизики, хотя сжатость изложения и некоторая пере­груженность формулами делают ее сложной для неподготовлен­ного читателя.
2. «Оптическая когерентность и статистика фотонов». Лектор — профессор Гарвардского университета Р. Глаубер. Этот цикл лекций посвящен статистике световых пучков и проблеме коге­рентности.

В своих лекциях проф. Глаубер следовал предложенной им и опубликованной в ряде статей концепции когерентности света. Теория когерентности строится на основе математического опреде­ления пространственно-временной функции корреляции состояний электромагнитного поля п-го порядка. В курсе было показано, что понятие когерентности, которое обычно используется в опти­ке, недостаточно для описания лазерного пучка и соответствует лишь когерентности первого порядка. Несколько первых лекций проф. Глаубер посвятил квантовомеханическому описанию фазы и амплитуды электромагнитного поля и формализму матрицы плотности применительно к фотонам.

3. «Теория оптических мазеров». Лектор — профессор Иельско-го университета У. Лэмб (автор известных работ по радиационному сдвигу уровней атомов).

Теория Лэмба является, по существу, феноменологической. Электромагнитное поле в резонаторе трактуется классически (т. е. теория не учитывает статистические флуктуации числа фотонов в си­стеме и, следовательно, квантовых шумов лазера), а активная среда рассматривается как свободные атомы, приобретающие в поле нели­нейный дипольный момент. Таким образом, поляризация среды описывается квантовомеханически с использованием формализма матрицы плотности. Соответствующая макроскопическая поля­ризация среды в свою очередь рассматривается как источник электромагнитного поля.

Наиболее интересным результатом теории является объясне­ние зависимости амплитуды и частоты генерации от различных параметров, характеризующих лазер. В частности, получены усло­вия одномодового режима работы, объяснены явления захвата частоты при перестройке резонатора, образование комбинационных частот и пульсация населенности уровней. Дискутируется вопрос о применимости скоростных уравнений при описании процессов в квантовых генераторах.

4. «Теория ширины линии». Лектор — профессор Центра ядер­ных исследований в Сакле Ж. Вантер. В лекциях развит матема­тический аппарат, позволяющий исследовать механизм уширения и релаксационные процессы в зависимости от различных физиче­ских условий.

Ценность лекций проф. Вантера состоит в том, что в них обобщен и систематизирован обширный материал, посвященный уширению спектральных лекций. Этот важный вопрос, по которому в науч­ных журналах опубликовано много статей, еще нигде последова­тельно не излагался.

При переводе и подготовке к изданию настоящих лекций встре­тились большие трудности, связанные с конспективным характером изложения, делавшим текст местами трудно понятным, и с боль­шим количеством ошибок и опечаток, имевшихся в американском издании, особенно в лекциях Кролля и Вантера. Безусловно, это обстоятельство, несмотря на стремления переводчиков и редакторов устранить недочеты, отразилось на качестве перевода.

Тематика публикуемых в переводе циклов лекций важна и актуальна; лекторы —известные ученые, внесшие значительный вклад в эти новые области физики и техники, что обеспечило вы­сокий научный уровень изложения материала.

Мы надеемся, что в целом эти лекции будут полезными и инте­ресными как для физиков и инженеров, работающих в области квантовой радиофизики, так и для аспирантов и студентов, специа­лизирующихся в этой области.

О. В. Богданкевич О. Н. Крохин