[发明专利]偏振光子与原子相互作用的理论模型

说明书

本发明公开了偏振光子与原子相互作用的理论模型，原子对光子的散射包括吸收以及发射两个过程，在这两个过程中，系统总的哈密顿算符为原子哈密顿算符、光子哈密顿算符以及光子与原子相互作用哈密顿算符的和，将光子与原子相互作用的哈密顿算符作用到系统的波函数上，得到四个相互作用的矩阵元；光子与原子相互作用系统由初态到末态的相互作用矩阵元表示为对所有可能的中间态求和，根据四个相互作用的矩阵元得到光子与原子相互作用系统中总的相互作用矩阵元，从而得到光子与原子相互作用系统的散射截面。本发明可以得到散射截面与光子的频率、原子偶极矩、原子跃迁能级差、入射光子的偏振方向、出射光子的偏振方向之间的关系。

技术领域

本发明属于光电子技术领域，更具体的说是涉及偏振光子与原子相互作用的理论模型。

背景技术

物质都是由原子构成的，不同种类的原子因为其电子排布的差别，都具有不同的属性。因此，在光子偏振探测系统中，利用回波信号的偏振特性探测物质种类这一手段，实质上是基于光子与原子相互作用过程中光子偏振方向根据物质种类的不同而产生的不同程度的改变。

在光与原子相互作用的经典模型中，将原子内束缚电子看成谐振子，将散射模型看作是振荡的光场作用到电子上，使其做受迫振动，振动的电子向外所辐射的光场即为散射光场。然而经典的相互作用模型具有一定的局限性，其无法从本质上描述光子以及原子中电子的运动过程，也就无法明确给出偏振光子与原子相互作用的关系。

因此，如何提供一种偏振光子与原子相互作用的理论模型成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了偏振光子与原子相互作用的理论模型，可以得到散射截面与光子的频率、原子偶极矩、原子跃迁能级差、入射光子的偏振方向、出射光子的偏振方向之间的关系。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

优选的，原子对光子的散射包括吸收以及发射两个过程，在这两个过程中，系统总的哈密顿算符为原子哈密顿算符、光子哈密顿算符以及光子与原子相互作用哈密顿算符的和，将光子与原子相互作用的哈密顿算符作用到系统的波函数上，得到四个相互作用的矩阵元；光子与原子相互作用系统由初态到末态的相互作用矩阵元表示为对所有可能的中间态求和，根据四个相互作用的矩阵元得到光子与原子相互作用系统中总的相互作用矩阵元，从而得到光子与原子相互作用系统的散射截面。

优选的，根据光子与原子相互作用中吸收过程以及发射过程的先后次序，将散射过程分为以下两种情况：

(1)处于E_i态的原子先吸收一个入射光子ω_i，并跃迁到一个可能的中间状态E_n，随后原子又向外辐射一个光子ω_f，同时跃迁至末态E_f；

E_i+ω_i→E_n→E_f+ω_f；

(3)处于E_i态的原子先发射一个光子ω_f，跃迁到一个可能的中间状态E_n，随后原子再吸收一个光子ω_i同时跃迁至终态E_f；

E_i+ω_i→E_n+ω_f+ω_i→E_f+ω_f。

优选的，系统总的哈密顿算符为原子哈密顿算符、光子哈密顿算符以及光子与原子相互作用哈密顿算符的和的形式为：

式中为原子的哈密顿算符；为光子的哈密顿算符；为相互作用的哈密顿算符。