量子光学笔记

这种讲座类的课，应该每节课课前看好论文，课后做好总结，及时与老师交流问题。

Author：Peter_H

致谢：屠老师，汤圆老师，海威同志，梓儿

Photon

• 光子的大小：以相互作用范围来衡量

• 单光子干涉

  • Dirac：光子只与自身发生作用，光子的波通过两个狭缝时自身产生了干涉

• 引力波探测：略

Photon Statistics

• Uncertainty principle
  $$
  \begin{aligned}
  \Delta x\cdot\Delta p&\ge \hbar/2 \
  \Delta E\cdot\Delta t&\ge\hbar/2 \quad \text{能量,时间（波列长度）}\
  \Delta n\cdot\Delta \phi&\ge \hbar/2 \quad \text{光子数，相位}
  \end{aligned}
  $$

• 微波辐射先于激光产生：产生微波波段需要的跃迁能量较低，可以来自分子的振动与转动；微波波段的光对谐振腔的要求也小，对于同样的频率展宽，谐振腔的长度改变容易得到允许。

  （原子发光—>在展宽范围内满足谐振条件的可以进行谐振）

• 如何分辨激光与F-P干涉仪产生的单色光？

  利用二阶相干函数 $g^{(2)}$。激光是处于相干态的光，光子数分布为泊松分布，$g^{(2)}(0)=1$ ；F-P干涉仪产生的单色光是热光中选频选出来的单频光，属于热光场，$g^{(2)}>1$。

软件技术基础—光电

光电的软件技术基础课程，授课教师是白剑老师，这是一篇关于这门课的复习笔记。

Google Code Standard

华为海思的项目需要了解一下Google编程规范，就简单看了一下。

Header Files

头文件自包含、最好将模板和内联函数的定义与其声明放置在同一文件中。

• All header files should be self-contained. Users and refactoring tools should not have to adhere to special conditions to include the header. Specifically, a header should have header guards and include all other headers it needs.

• Prefer placing the definitions for template and inline functions in the same file as their declarations. The definitions of these constructs must be included into every .cc file that uses them, or the program may fail to link in some build configurations. If declarations and definitions are in different files, including the former should transitively include the latter. Do not move these definitions to separately included header files (-inl.h); this practice was common in the past, but is no longer allowed.

• Avoid using forward declarations where possible.

• Define functions inline only when they are small, say, 10 lines or fewer. 经常用的小函数写成内联函数提升效率。

我的专业是光电，有光也有电。

刚入大学，电工电子工程训练是我噩梦一般的课程，电学和电学实验我最不擅长。参加电子设计比赛，我拖了队友很大的后腿。

我想要放弃电，但是我不能。因为他太重要了。

2022.9.6: 之前写的好好笑

Transistor 三极管

三极管是一个非常重要的元件，模电数电经常与他碰面，然而他的原理我直到光电子学讲了半导体物理才明白。

首先直观地去看三极管，YouTube上有一个非常棒的视频

看完视频基本上可以对三极管有一个宏观和近微观的认识，然后可以看一下知乎的这个回答，了解一下它的微观机理

1 半导体

图中圆圈表示空穴，负号表示电子。$E_f$ 为热平衡状态下的费米能级。

Q：为什么N型半导体的大量电子在价带？

由于 $E_g$ 小，随着温度升高，电子将会因为热激发作用从价带跃过带隙而进入导带。这些电子可以自由移动，称为 自由载流子 。

Train deep learning models on remote host.

• tmux

• conda virtual env

• visdom to monitor remotely

• ssh username@ip
  visdom -p port
  # then detach it
  
  ssh username@ip
  tmux new -s session-to-train
  python main.py
  # then detach it
  
  tmux new -s session-to-run-visdom-without-broken-pipe
  ssh -L port:127.0.0.1:port username@ip
  # then detach it 
  # then monitor the loss etc. in host machine at 127.0.0.1:port
  

Project in optoelectronics course.

This week read a bunch of articles and even a book about ladar designing and got a lot from them.

Some invisible cloaks’ experiment.

Together with Jinquan Shi, Haiwei Wang and Xinzi Liu. We did a great job!

Project in optoelectronics course.

Techniques used in Light Sheet Microscopy. It is interesting and useful.

光电子学的一个大作业是设计探月三维成像激光雷达，开始毫无头绪，后来在玉泉图书馆找到一本哈工大的书「激光雷达系统设计」（王春晖，陈德应著）。想着以后要把书还回去，目前网上找到的资料大多是论文，而莫得这本宝书，就简要地「抄」一下这本书的部分章节。

激光雷达系统设计

激光雷达是指以激光作为载波、以光电探测器作为接收器件、以光学望远镜作为天线的光雷达。

发射光学系统

在远距离激光雷达系统设计中，为了增加作用距离，常常需要压缩激光源地发散角，即采用望远镜系统对激光源进行扩束，这时该定向辐射源具有一定辐射面积，人们常常把这类光源成为空间受限定相光源。由于激光器发射光束具有高斯光束地特点，这时在受限空间内光强分布的不均匀性就凸显出来。一般假设这种光源的方向图函数是高斯型的，即
$$
f(\theta,\varphi)=\exp\left[-\frac{r^2}{(z\alpha)^2}\right]=\exp\left[-\frac{\theta^2}{\alpha^2}\right]
$$
注：方向图函数定义为任意方向 $\vec n$ 上的辐射强度 $I(\vec n)$ 与最大光强之比 $I(\vec n)/I_{\max}=I(\theta,\varphi)/I_{\max}$。

书中给了激光发射机的光度学模型和波动学模型，但是没有对激光器进行详细叙述。感觉这是对激光发射的结果进行了建模，而产生激光的过程还需要参考别的书籍。

Optoelectronics

Matrix Optics 「矩阵光学」

光学元件的传播矩阵

小坑待填.

光线在周期系统的位置轨迹

$$
\begin{pmatrix}
y_{m+1}\
\theta_{m+1}
\end{pmatrix}=M\begin{pmatrix}
y_m\
\theta_m
\end{pmatrix}
$$

其中 $M=\displaystyle\begin{pmatrix}A&B \ C&D\end{pmatrix}$ 为周期系统的传播矩阵。

进而得到
$$
\begin{align}
y_{m+1}&=Ay_m+B\theta_m\
\theta_{m+1}&=Cy_m+D\theta_m
\end{align}
$$
整理得
$$
\begin{align}
y_{m+2}&=(A+D)y_{m+1}+(BC-AD)y_m \notag\
i.e. \quad y_{m+2}&=2by_{m+1}-F^2y_m\
\end{align}
$$

其中 $b=(A+D)/2,F^2=\det (M)$.

尝试解 $y_m=y_0h^m$, 可得
$$
y_m=y_0F^me^{\pm im\varphi}
$$
其中 $\varphi$ 满足 $b=F\cos\varphi$.

可见，传递矩阵的 $\det$ 带来幅值增益，其 $\operatorname {trace}$ 带来相位增益。