The light fantastic: a modern introduction to classical and quantum optics

Contents......Page 14
1.1 Aims and contents......Page 24
1.2 Electromagnetic waves......Page 29
1.3 The velocity of light......Page 31
1.4 A sketch of electromagnetic wave theory......Page 33
1.4.1 More general waveforms......Page 37
1.5 The electromagnetic spectrum......Page 39
1.5.1 Visible spectra......Page 41
1.6 Absorption and dispersion......Page 42
1.7 Radiation terminology......Page 45
1.8 Black body radiation......Page 49
1.9 Doppler shift......Page 50
2.1 Light rays and Huygens’ principle......Page 54
2.1.1 The laws of reflection......Page 55
2.1.2 Snell’s law of refraction......Page 56
2.1.3 Fermat’s principle......Page 57
2.1.4 Simple imaging......Page 58
2.1.5 Deviation of light by a triangular prism......Page 59
2.2 Total internal reflection......Page 60
2.2.1 Constant deviation prism......Page 61
2.2.3 Corner cube reflector......Page 62
2.2.4 Pulfrich refractometer......Page 63
2.3 Optical fibre......Page 64
3.1 Introduction......Page 68
3.1.1 Cartesian sign convention......Page 69
3.2 Spherical mirrors......Page 70
3.2.1 Ray tracing for mirrors......Page 72
3.3 Refraction at a spherical interface......Page 73
3.4 Thin lens equation......Page 74
3.4.1 Ray tracing for lenses......Page 76
3.6 Matrix methods for paraxial optics......Page 78
3.7 Aberrations......Page 81
3.7.1 Monochromatic aberrations......Page 82
3.7.2 Spherical aberration......Page 84
3.7.3 Coma......Page 85
3.7.4 Astigmatism......Page 86
3.7.5 Field curvature......Page 87
3.7.6 Distortion......Page 89
3.7.7 Chromatic aberration......Page 90
3.8 Further reading......Page 93
4.2 The refracting telescope......Page 96
4.2.1 Field of view......Page 98
4.2.2 Etendue......Page 100
4.3 Telescope objectives and eyepieces......Page 102
4.4 The microscope......Page 103
4.5 Cameras......Page 106
4.5.1 Camera lens design......Page 108
4.5.2 SLR camera features......Page 109
4.5.3 Telecentric lenses......Page 111
4.5.5 Zoomlenses......Page 112
4.6 Graded index lenses......Page 114
4.8 Fresnel lenses......Page 115
5.1 Introduction......Page 118
5.3 Young’s two slit experiment......Page 119
5.3.1 Fresnel’s analysis......Page 120
5.3.2 Interference by amplitude division......Page 124
5.4 Michelson’s interferometer......Page 126
5.4.1 The constancy of c......Page 127
5.5 Coherence and wavepackets......Page 128
5.5.1 The frequency content of wavepackets......Page 132
5.5.2 Optical beats......Page 133
5.5.3 Coherence area......Page 135
5.7 Interferometry......Page 136
5.7.1 The Twyman–Green interferometer......Page 137
5.7.2 The Fizeau interferometer......Page 138
5.7.4 The Sagnac interferometer......Page 139
5.8 Standing waves......Page 141
5.9 The Fabry–Perot interferometer......Page 144
6.1 Introduction......Page 152
6.3 Single slit Fraunhofer diffraction......Page 153
6.4 Diffraction at a rectangular aperture......Page 156
6.5 Diffraction from multiple identical slits......Page 157
6.6 Babinet’s principle......Page 160
6.7 Fraunhofer diffraction at a circular hole......Page 161
6.8 Diffraction gratings......Page 162
6.9 Spectrometers and spectroscopes......Page 164
6.9.1 Grating structure......Page 165
6.9.2 Etendue......Page 166
6.9.3 Czerny–Turner spectrometer......Page 167
6.9.5 Echelle grating......Page 168
6.10 Fresnel and Fraunhofer diffraction......Page 169
6.11 Single slit Fresnel diffraction......Page 170
6.12 Fresnel diffraction at screens with circular symmetry......Page 174
6.12.1 Zone plates......Page 176
6.13 Microprocessor lithography......Page 177
6.14 Near field diffraction......Page 178
6.15 Gaussian beams......Page 179
6.15.1 Matrix methods......Page 183
7.2 Fourier analysis......Page 186
7.2.1 Diffraction and convolution......Page 189
7.3 Coherence and correlations......Page 192
7.3.1 Power spectra......Page 194
7.3.2 Fourier transform spectrometry......Page 199
7.4 Image formation and spatial transforms......Page 204
7.5 Spatial filtering......Page 205
7.6 Acousto-optic Bragg gratings......Page 207
7.7 Holography......Page 209
7.7.1 Principles of holography......Page 211
7.7.2 Hologram preparation......Page 212
7.7.3 Motion and vibration analysis......Page 213
7.7.4 Thick holograms......Page 214
7.8.1 The 4f architecture......Page 215
7.8.2 Data storage and retrieval......Page 217
8.1 Introduction......Page 220
8.2 Telescope design......Page 221
8.2.1 Auxiliary equipment......Page 225
8.3 Schmidt camera......Page 226
8.4 Atmospheric turbulence......Page 227
8.5 Adaptive optics......Page 228
8.6 Michelson’s stellar interferometer......Page 231
8.7 Modern interferometers......Page 233
8.8 Aperture synthesis......Page 235
8.9 Aperture arrays......Page 239
8.10 Image recovery......Page 240
8.11 Comparisons with radioastronomy......Page 242
8.12 Gravitational wave detectors......Page 243
8.12.1 Laser-cavity locking......Page 245
8.12.2 Noise sources......Page 247
8.13 Gravitational imaging......Page 248
9.1 Introduction......Page 252
9.2 Maxwell’s equations......Page 253
9.3 The wave equation......Page 257
9.3.1 Energy storage and energy flow......Page 259
9.4 Electromagnetic radiation......Page 262
9.5 Reflection and refraction......Page 264
9.6 Fresnel’s equations......Page 268
9.7.1 Analysis of multiple layers......Page 272
9.7.2 Beam splitters......Page 277
9.8 Modes of the electromagnetic field......Page 278
9.8.1 Mode counting......Page 280
9.9 Planar waveguides......Page 282
9.9.1 The prism coupler......Page 284
10.2 States of polarization......Page 288
10.3 Dichroism and Malus’ law......Page 291
10.4 Birefringence......Page 292
10.4.1 Analysis of birefringence......Page 294
10.4.2 The index ellipsoid......Page 296
10.4.3 Energy flow and rays......Page 297
10.4.4 Huygens’ construction......Page 298
10.5 Wave plates......Page 299
10.5.1 Jones vectors and matrices......Page 300
10.5.2 Prism separators......Page 301
10.5.3 Polarizing beam splitters and DVD readers......Page 303
10.6 Optical activity......Page 304
10.7 Effects of applied electromagnetic fields......Page 305
10.7.1 Pockels effect and modulators......Page 306
10.7.2 Kerr effect......Page 309
10.7.3 Faraday effect......Page 310
10.8 Liquid crystals......Page 311
10.8.1 The twisted nematic LCD......Page 312
10.8.2 In-plane switching......Page 314
10.8.3 Polymer dispersed liquid crystals (PDLC)......Page 316
10.8.4 Ferroelectric liquid crystals (FELC)......Page 317
10.9 Further reading......Page 318
11.1 Introduction......Page 320
11.2 Rayleigh scattering......Page 321
11.2.1 Coherent scattering......Page 323
11.3 Mie scattering......Page 324
11.4 Absorption......Page 326
11.5 Dispersion and absorption......Page 327
11.5.1 The atomic oscillator model......Page 328
11.6 Absorption by, and reflection off metals......Page 332
11.6.1 Plasmas in metals......Page 337
11.6.2 Group and signal velocity......Page 339
11.6.3 Surface plasma waves......Page 342
11.7 Further reading......Page 345
12.1 Introduction......Page 348
12.2 The black body spectrum......Page 349
12.3 The photoelectric effect......Page 353
12.4 The Compton effect......Page 356
12.5 de Broglie’s hypothesis......Page 358
12.6 The Bohr model of the atom......Page 359
12.6.1 Beyond hydrogen......Page 363
12.7 Wave–particle duality......Page 364
12.8 The uncertainty principle......Page 367
12.9 Which path information......Page 370
12.10.1 Etendue......Page 372
12.11 Afterword......Page 373
12.12 Further reading......Page 374
13.1 Introduction......Page 376
13.2 An outline of quantum mechanics......Page 377
13.3 Schroedinger’s equation......Page 378
13.3.1 The square potential well......Page 380
13.4 Eigenstates......Page 382
13.4.1 Orthogonality of eigenstates......Page 383
13.5 Expectation values......Page 384
13.5.2 Compatible, or simultaneous observables......Page 386
13.6 The harmonic oscillator potential......Page 388
13.7 The hydrogen atom......Page 389
13.8 The Stern–Gerlach experiment......Page 393
13.9 Electron spin......Page 394
13.10 Multi-electron atoms......Page 396
13.10.2 Atoms in constant fields......Page 398
13.11 Photon momentum and spin......Page 399
13.12 Quantumstatistics......Page 402
13.13 Line widths and decay rates......Page 403
13.14 Further reading......Page 404
14.1 Introduction......Page 406
14.2 The Einstein coefficients......Page 407
14.3 Prerequisites for lasing......Page 409
14.4 The He:Ne laser......Page 411
14.4.2 Gain......Page 413
14.4.3 Cavity modes......Page 416
14.4.4 Hole burning......Page 418
14.4.6 Optical beats......Page 420
14.6 Organic dye lasers......Page 421
14.6.1 Saturation spectroscopy......Page 423
14.6.2 Cavity ring-down spectroscopy......Page 425
14.6.3 A heterodyne laser interferometer......Page 427
14.7 Introducing semiconductors......Page 431
14.7.1 DH lasers......Page 435
14.7.2 DFB lasers......Page 437
14.7.3 Limiting line widths......Page 438
14.8 Quantumwell lasers......Page 439
14.8.1 Vertical cavity lasers......Page 441
14.9 Nd:YAG and Nd:glass lasers......Page 443
14.9.1 Q switching......Page 444
14.10 Ti:sapphire lasers......Page 446
14.11 Optical Kerr effect and mode locking......Page 448
14.11.1 Mode locking......Page 449
14.12 Frequency combs......Page 451
14.12.1 Optical frequency measurement......Page 453
14.13 Extreme energies......Page 454
14.14 Second order non-linear effects......Page 455
14.14.1 Raman scattering......Page 459
14.14.2 Brillouin scattering......Page 460
14.14.3 Stimulated Raman and Brillouin scattering......Page 461
14.15 Further reading......Page 462
15.1 Introduction......Page 464
15.2 Photoconductors......Page 465
15.3 Photodiodes......Page 468
15.3.1 Dark current......Page 471
15.4 Photodiode response......Page 472
15.4.1 Speed of response......Page 474
15.4.2 Noise......Page 475
15.4.3 Amplifiers......Page 477
15.4.4 Solar cells......Page 479
15.5 Avalanche photodiodes......Page 480
15.6 Schottky photodiodes......Page 482
15.7 Imaging arrays......Page 484
15.7.1 Quantum efficiency and colour......Page 486
15.7.2 CCD readout......Page 487
15.7.4 CMOS arrays......Page 489
15.8 Photomultipliers......Page 490
15.8.1 Counting and timing......Page 492
15.9 Microchannel plates and image intensifiers......Page 494
15.10 Further reading......Page 495
16.1 Introduction......Page 498
16.2 Attenuation in optical fibre......Page 500
16.3 Guided waves......Page 501
16.4 Fibre types and dispersion properties......Page 505
16.5 Signalling......Page 509
16.6 Sources and detectors......Page 511
16.7 Connectors and routing devices......Page 513
16.7.1 Directional couplers......Page 514
16.7.3 MMI devices......Page 515
16.8 Link noise and power budget......Page 516
16.9 Long haul links......Page 519
16.9.1 Fibre amplifiers......Page 520
16.9.2 Dispersion compensation......Page 522
16.10.1 Thin film filters and Bragg gratings......Page 523
16.10.2 Array waveguide gratings......Page 525
16.10.3 MEMS......Page 528
16.11 Solitons......Page 529
16.11.1 Communication using solitons......Page 531
16.12.1 Fibre Bragg sensors......Page 532
16.12.2 The fibre optic gyroscope......Page 533
16.13 Optical current transformer......Page 536
16.14 Photonic crystal fibres......Page 538
16.15 Further reading......Page 540
17.1 Introduction......Page 542
17.2 Transition rates......Page 544
17.2.1 Selection rules......Page 549
17.2.2 Electric susceptibility......Page 551
17.3 Rabi oscillations......Page 553
17.4 Dressed states......Page 556
17.5 Electromagnetically induced transparency......Page 561
17.5.1 Slow light......Page 565
17.6 Trapping and cooling ions......Page 567
17.7 Shelving......Page 571
17.8 Optical clocks......Page 573
17.9 Further reading......Page 575
18.1 Introduction......Page 578
18.2 Second quantization......Page 579
18.2.1 Continuous variables......Page 585
18.3 First order coherence......Page 586
18.4 Second order coherence......Page 588
18.5 Laser light and thermal light......Page 590
18.5.1 Coherent (laser-like) states of the electromagnetic field......Page 591
18.5.2 Thermal light......Page 593
18.6 Observations of photon correlations......Page 596
18.6.1 Stellar correlation interferometer......Page 597
18.7 Entangled states......Page 598
18.7.2 Spontaneous parametric down conversion......Page 599
18.8 The HOM interferometer......Page 602
18.9 Franson–Chiao interferometry......Page 604
18.10 Complementarity......Page 606
18.10.1 Delayed choice and quantum erasure......Page 607
18.11 Further reading......Page 609
A: Physical constants and parameters......Page 612
B: Appendix: Cardinal points and planes of lens systems......Page 614
C: Appendix: Kirchhoff’s analysis of wave propagation at apertures......Page 616
D: Appendix: The non-linear Schroedinger equation......Page 620
E: Appendix: State vectors......Page 624
F: Appendix: Representations......Page 628
G: Appendix: Fermi’s golden rule......Page 630
H: Appendix: Solutions......Page 632
C......Page 648
F......Page 649
L......Page 650
P......Page 651
T......Page 652
Z......Page 653