The Nature of Light: What is a Photon? (Optical Science and Engineering)

Z......Page 
Preface xiii 14......Page 0014
Editors xvii 18......Page 0018
16.2.1 Electric Dipole in 3-Dimensional Space; the Standard......Page 0026
Spatio-temporal location, 5......Page 0028
Quantum numbers, 6......Page 0029
--- photons and, 8–9......Page 0031
References 9......Page 0032
Classical optics, 11......Page 0034
--- beam splitters and, 12–14......Page 0035
--- input state, 15......Page 0038
Michelson interferometer, 17......Page 0040
Wavepackets, 19......Page 0042
References 21......Page 0044
Quanta, 23......Page 0046
Heisenberg relations, 34......Page 0057
4 The Concept of the Photon—Revisited      37......Page 0060
Tactile theory, 39......Page 0062
Two-level atom, 43......Page 0066
Spontaneous emission of photons, 45–46,......Page 0068
--- relativistic, 46......Page 0069
Micromaser, 47......Page 0070
--- interferometry, 48......Page 0071
--- 49–50......Page 0072
Vacuum-fluctuation physics, 50......Page 0073
Spatial discreteness, 52......Page 0075
References  56......Page 0079
5.1 Introduction  59......Page 0082
Wigner phase space distribution, 61......Page 0084
Transverse gauge, 63......Page 0086
Quantum analogue, 65......Page 0088
Casimir force, 66......Page 0089
--- Wigner functions of, 67–73......Page 0090
--- measured, 70–73......Page 0093
--- wave functional of, 73–74......Page 0096
Acknowledgments 75......Page 0098
References 76......Page 0099
6 Inevitable Incompleteness of All Theories: An Epistemology to Continuously Refine Human Logics Towards Cosmic Logics      81......Page 0104
6.1 Introduction  82......Page 0105
Zeeman effect, 84......Page 0107
Heisenberg’s indeterminancy relation, 86......Page 0109
Incomplete information paradigm, 87–88,......Page 0110
Working equations, 88......Page 0111
Transformations, quantitative, 89......Page 0112
Weak nuclear force, 90......Page 0113
Phenomenon 92......Page 0115
--- purpose of, 93–95......Page 0116
6.6.2.1 Ancient Example of CC-LC-(ER)1,2 Epistemology  94......Page 0117
Ptolemy, 95......Page 0118
Pythagoras, 96......Page 0119
--- Fourier monochromatic mode of, 97–98,......Page 0120
Wiener-Khintchine theorem, 98......Page 0121
--- fringes, 99......Page 0122
Time integrated pulse broadening, 100......Page 0123
--- 104......Page 0127
--- causal and local effects of, 106......Page 0129
References  107......Page 0130
Bunching property, 111......Page 0134
Interferometers, 112......Page 0135
--- recording by photographic plate, 113–115......Page 0136
--- detector, 116–120......Page 0139
--- counting, 121–123......Page 0144
--- wave-particle duality for, 123......Page 0146
References  125......Page 0148
Particle-wave duality, 129, 136. See also......Page 0152
of space and time, 130......Page 0153
8.2 Space and Time 131......Page 0154
--- amplitudes, 135......Page 0158
Hertzian waves, 136......Page 0159
Vector meson dominance models, 138–139......Page 0161
Summary and Conclusions 139......Page 0162
Zitterbewegung, 140......Page 0163
Light, 143–144......Page 0166
Neoclassical theory, 145......Page 0168
9.4 Stochastic Electrodynamics: Retrograde QED? 146......Page 0169
Pilot waves, 147......Page 0170
Space, 148......Page 0171
Run-away solutions, 149......Page 0172
--- redefinition of, 150......Page 0173
Polarizers, 151......Page 0174
von Neumann’s measurement theory, 152......Page 0175
--- free fields of, 153......Page 0176
--- 155......Page 0178
--- cascade wave function, 160......Page 0183
--- overlap integral for, 161......Page 0184
References  162......Page 0185
11 Photons Are Fluctuations of a Random (Zeropoint) Radiation Filling the Whole Space      163......Page 0186
Zeropoint field (ZPF), 164–172......Page 0187
Superconductivity, 167......Page 0190
Spherical waves, 168......Page 0191
--- entanglement of, 169–171 (See also......Page 0192
Vectors, single-particle, 171......Page 0194
References  173......Page 0196
12 Violation of the Principle of Complementarity and Its Implications      175......Page 0198
Which-way experiments, 176......Page 0199
--- modern version of, 177–178......Page 0200
--- 178–179......Page 0201
--- measurement of, 179–180......Page 0202
--- 180......Page 0203
Wave-like behavior, coherence and, 181......Page 0204
Radiant flux, 182......Page 0205
--- 184–186......Page 0207
--- incident, 186......Page 0209
Complex vectors, 187......Page 0210
12.5 Discussion and Conclusion 190......Page 0213
12.6 Corollary 191......Page 0214
Appendix A  194......Page 0217
--- 195......Page 0218
Principle of causality, 197......Page 0220
--- principle of causality of, 198......Page 0221
--- soliton model of, 199......Page 0222
Schrodinger quantum mechanics, 200......Page 0223
13.4 Soliton’s Evanescent Wave 201......Page 0224
Thomson, J.J., 202......Page 0225
--- characteristics of, 203–204......Page 0226
Huygens’ theory, 204–205......Page 0227
--- causal model of, 205......Page 0228
References  206......Page 0229
14 The Maxwell Wave Function of the Photon      207......Page 0230
--- Maxwell, 208–212......Page 0231
--- single-photon state, 212......Page 0235
Quantum-state tomography, 213......Page 0236
15 Modeling Light Entangled in Polarization and Frequency: Case Study in Quantum Cryptography      215......Page 0238
--- entanglement, 216......Page 0239
--- frequency spectra of light in, 217–223......Page 0240
15.2.2 System Description 218......Page 0241
Tensor product space, 219–220......Page 0242
Reduced density operator, 220......Page 0243
--- states, 223–226......Page 0246
Frequency functions, 225......Page 0248
Trace rule of quantum mechanics, 226......Page 0249
Unentangled detectors, 228......Page 0251
Appendix A Review of Quantum Decision Theory  229......Page 0252
Binary decisions, 230–231......Page 0253
Trace distance, 231–234......Page 0254
Renyi entropy, 233......Page 0256
References  234......Page 0257
16 Photon—The Minimum Dose of Electromagnetic Radiation      237......Page 0260
emission of, 238......Page 0261
Oscillating electromagnetic dipole, 239–244......Page 0262
Quantum emitter, 241–242......Page 0264
Fine structure constant, 242–244......Page 0265
--- 243–244......Page 0266
--- motion of space in, 244–245......Page 0267
Energy of an Object  245......Page 0268
Wavelengths of atoms, 246–248......Page 0269
--- radiation, 248......Page 0271
Conclusions  249......Page 0272
References  250......Page 0273
Propagating topological singularities, 251......Page 0274
Topological constraints, 253–255......Page 0276
--- chirality of, 261–268......Page 0284
Fresnel-Kummer wave surface equation, 265......Page 0288
Topological quantization, 268......Page 0291
18 The Photon: A Virtual Reality      271......Page 0294
Retardation, 272......Page 0295
Retarded electric fields, 275–276......Page 0298
Spintronics, 277–278......Page 0300
--- quantized states of, 278......Page 0301
References  279......Page 0302
19 The Photon and Its Measurability      281......Page 0304
Secondary emission, 282......Page 0305
Velocity, 284–285......Page 0307
Principle of emission and re-emission, 285,......Page 0308
Wave equation, invariance of, 287–288......Page 0310
Transverse relative time shift, 289–290......Page 0312
Perihelion rotation effect, 290–294......Page 0313
Mirror experiments, 294......Page 0317
--- principal axioms of, 295......Page 0318
20 Phase Coherence in Multiple Scattering: Weak and Intense Monochromatic Light Wave Propagating in Cold Strontium Cloud      297......Page 0320
Two-wave interference, 298......Page 0321
--- production of cold atomic cloud in, 300–306......Page 0323
Zeeman states, anti-trapping, 303......Page 0326
Lambert-Beer law, 304......Page 0327
Sisyphus-type mechanisms, 305......Page 0328
--- 306–312......Page 0329
Field-induced nonlinearities, 308......Page 0331
20.3.2 Elastic Regime  309......Page 0332
20.3.3.1 Probe Beam Transmission 310......Page 0333
--- enhancement factor, 311–312......Page 0334
Phase coherence properties, 312......Page 0335
Acknowledgments 313......Page 0336
References  314......Page 0337
Index 419......Page 0442
Green’s function, 343–344......Page 0366
Fraunhofer (far field) pattern, 114......Page 0137
Zeeman-degenerate internal structure, 299......Page 0322
Lorentz invariance, 31......Page 54
,  62......Page 85
--- coherent, 178......Page 201
–179,  186–187,......Page 209
--- extinction shift and, 286–287......Page 0309
--- total, 401–402......Page 0424
Strong coupling constant, 24......Page 0047
Bayes’ rule, 220......Page 243
,  229–231......Page 252
Beam splitters, 7......Page 0030
Symmetric beam splitters, 13......Page 0036
EPR correlation, 151......Page 174
–53,  160......Page 183
–70,  164......Page 187
–218,  221......Page 244
,  100......Page 123
–103,  107......Page 130
Wave theory, 3......Page 26
Superposition, 6......Page 29
–26,  41......Page 64
,  60......Page 83
–61,  85......Page 108
,  145......Page 168
,  328......Page 351
,  350......Page 373
,  398......Page 421
Kramers, Hendrik, 53......Page 0076
,  42,......Page 65
–47,  136......Page 159
,  238......Page 261
String theory, 83......Page 106
Welcher weg, 176......Page 199
Young, Thomas, 24......Page 47
,  61......Page 84
Quantum non-commutativity, 29......Page 0052
Sharp filtration, 27–28......Page 0050
Malus-Born law, 28......Page 0051
--- 62......Page 0085
Sommerfeld Wilson quantization rule, 166......Page 0189
--- virtual, 327......Page 0350
Bragg relation, 323–324......Page 0346
Refraction, 318......Page 0341
,  182......Page 205
,  391, 399.......Page 414
Brillouin scattering, 328......Page 0351
Dirac string, 341......Page 0364
Camera obscura, 4......Page 0027
--- 157......Page 0180
Time reversal symmetry, 165......Page 0188
--- perception of, 344–347......Page 0367
Monochromatic oscillation, 380......Page 0403
Charge-coupling, 335......Page 0358
Total charge-source, 338–339......Page 0361
--- 263......Page 286
,  265......Page 288
--- 420 The Nature of Light: What is a Photon?......Page 0443
Single-mode theory, 12......Page 35
--- 52......Page 75
,  334......Page 357
Interference, 92......Page 115
–55,  102......Page 125
,  363......Page 386
,  366......Page 389
,  380......Page 403
–381,  393......Page 416
,  397,......Page 420
Panarella’s low light level experiment, 403......Page 0426
,  349......Page 372
--- (SPACSs), 351–352......Page 0374
Coincidence rates, 170......Page 0193
,  48......Page 71
,  175......Page 198
Wave analysis, 257......Page 0280
Photon wavefunction, 139......Page 162
,  144......Page 167
Kantian apriorism, 335......Page 358
Propagating discontinuities, 252......Page 275
,  345–347......Page 368
Constructive interference, 168......Page 191
Destructive interference, 188......Page 211
--- frequency-dependent, 224......Page 0247
Light-matter interactions, 83......Page 0106
,  147,......Page 170
,  149......Page 172
Segal constants, 32–33......Page 0055
,  63......Page 86
Virtual photons, 272......Page 295
Wave propagation, 105......Page 0128
–183,  187......Page 210
,  320–321......Page 343
,  402......Page 425
Helicity, 211......Page 234
,  324–325......Page 347
,  167......Page 190
Zero energy balance, 239......Page 262
,  40......Page 63
Rectilinear motion, 282......Page 305
,  179......Page 202
Total radiant flux, 183......Page 206
–179,  191......Page 214
--- interaction, 144......Page 0167
--- non-equilibrium systems, 260......Page 0283
Destruction operators, 13......Page 36
,  321,......Page 344
Detection nonlinearity, 122......Page 145
--- interference, 124......Page 147
Local redistribution, 381......Page 0404
Diffraction, 184......Page 207
–103,  204–205,......Page 227
–205,  317......Page 340
--- Fraunhofer, 324–325......Page 0347
--- lobes, 185......Page 0208
Near-field Talbot diffraction, 385–386......Page 0408
X-rays, diffraction of, 319......Page 0342
--- 382......Page 0405
Light pulses, super-Gaussian, 373......Page 0396
--- superposed, 370......Page 0393
--- real transmission, 276......Page 0299
,  150......Page 173
,  210,......Page 233
Single photons, 5......Page 28
,  44–45,......Page 67
Wave-particle duality, 112......Page 135
,  208......Page 231
Wave packets, 404–407......Page 0427
–283,  285,......Page 308
,  287......Page 310
--- communication, 367......Page 390
--- 402......Page 0425
,  198......Page 221
,  244–245......Page 267
–245,  249......Page 272
Geometry, electromagnetism and, 340–344......Page 0363
,  217......Page 240
--- 219......Page 242
Null isotropic eigenvector, 258......Page 0281
,  256......Page 279
,  268......Page 291
,  26......Page 49
,  96......Page 119
Indivisible photons, 399......Page 0422
Vacuum fluctuations, 38......Page 61
,  134......Page 157
Extreme ultraviolet (XUV) light, 412–416......Page 0435
,  342–343......Page 365
Electromagnetic fields, 8......Page 31
,  336–340......Page 359
--- distribution, 371......Page 0394
,  65 (See also......Page 88
Quantum optics, 4......Page 27
Quantum theory, 11......Page 34
Quantum electromagnetic field, 51......Page 0074
--- electromagnetic fields under, 368–371......Page 0391
,  45......Page 68
,  73–74......Page 96
Visible light, electromagnetic field of, 411......Page 0434
Space-time concepts, 129......Page 152
,  138......Page 161
Poincare transformations, 252......Page 0275
Photon wave equations, 209......Page 0232
--- as quantized elementary particles, 400......Page 0423
--- kinetic energy spectra of, 415......Page 0438
Logical congruence, 91......Page 0114
–283,  288......Page 311
--- 366......Page 0389
Mollow triplet, 307......Page 0330
,  14......Page 37
–51,  55, 83. See also......Page 78
–63,  66–67......Page 89
--- quantum theory of, 159......Page 182
--- frequency, 222......Page 0245
Locality, 90......Page 113
--- 156......Page 179
,  169–171,......Page 192
,  212......Page 235
,  201–202......Page 224
--- interfering with light, 367–368......Page 0390
–284,  294......Page 317
,  54......Page 77
,  157......Page 180
Kinematical equations, 137......Page 160
,  327–329......Page 350
,  319......Page 342
--- 422 The Nature of Light: What is a Photon?......Page 0445
--- creation and destruction operators, 350......Page 0373
--- 354–359......Page 0377
--- production of, 352–354......Page 0375
Fock, V., 255......Page 0278
Quantum states, 30......Page 53
–139,  153......Page 176
Maxwell fields, 51......Page 74
–365,  373......Page 396
Fourier synthesis, 368......Page 391
,  371......Page 394
Fourier theorem, 86......Page 109
--- single-photon, 364......Page 0387
Fourier transform theory, 19......Page 42
--- (Fourier), 97......Page 120
,  399......Page 422
Moebius transformation, 256–257......Page 0279
--- indivisible beams of, 388–389......Page 0411
Frequency entanglement, 222......Page 245
,  225–226......Page 248
,  325......Page 348
Poisson, Simeon-Denis, 40......Page 0063
Fringe pattern, 18......Page 0041
Interference fringes, 18......Page 41
–19,  118......Page 141
--- Mach-Zehnder, 392–393......Page 0415
Rest mass-energy, 26......Page 0049
--- Galilean transformations of, 281......Page 304
--- 288......Page 0311
Thomas precession, 25......Page 0048
,  27......Page 50
,  32......Page 55
Glauber-Sudarshan P-representation, 172......Page 0195
--- influence of, 291–294......Page 0314
Reciprocal Hall impedance, 267......Page 0290
Schrodinger equation, 29......Page 52
,  34......Page 57
,  64–65......Page 87
Heisenberg’s Uncertainty Principle, 113......Page 136
–147,  165......Page 188
,  274......Page 297
,  326......Page 349
Topological torsion, 251......Page 274
,  278......Page 301
Poisson equation, 336......Page 0359
--- definition of, 68......Page 0091
Ultraviolet catastrophe, 41......Page 0064
,  70......Page 93
,  226–227......Page 249
,  224......Page 247
Hopf map, 259......Page 0282
Huygens’ secondary wavelets, 375......Page 0398
–90,  106......Page 129
Van Cittert-Zernike theorem, 365......Page 388
,  382......Page 405
Wave functions, 39......Page 62
von Neumann entropy, 227......Page 0250
Wavepacket creation operator, 20......Page 0043
,  298......Page 321
--- constructive and destructive, 320......Page 0343
,  364......Page 387
,  384......Page 407
--- Fabry-Perot, 390......Page 0413
Young’s two-slit experiment, 17......Page 40
Ramsey interferometry, 72......Page 0095
Jaynes, Ed, 44–45......Page 0067
,  344......Page 367
,  209......Page 232
,  131......Page 154
Klein-Nishina formula, 137......Page 0160
Self-conjugate solutions, 264......Page 0287
Lagrange energy density, 263......Page 0286
Scattering, Lande’s quantized model of, 386......Page 0409
Particles, lifetime of, 132......Page 0155
Vector wave function, 55......Page 0078
--- frequency spectra of quantized, 221......Page 0244
--- 424 The Nature of Light: What is a Photon?......Page 0447
--- optical wave theory of, 322......Page 0345
,  245......Page 268
,  370......Page 393
Waveguides, nano-photonic, 383......Page 0406
--- 340......Page 363
,  255......Page 278
Lorentz transformations, 132......Page 155
Pfaff topological dimensions, 261......Page 284
,  266......Page 289
,  84......Page 107
,  283......Page 306
–19,  101,......Page 124
--- 192......Page 215
,  205......Page 228
Many-particle correlations, 38......Page 0061
Maxwell’s electrodynamics, 342–343......Page 0365
,  43......Page 66
Poynting equation, 262......Page 285
–98,  104......Page 127
,  180–187......Page 203
Wheeler, John A., 60–61......Page 0083
,  338,......Page 361
Molecular complexes, photodetecting, 102......Page 0125
,  47......Page 70
--- causally localized, 158......Page 0181
,  407......Page 430
,  59......Page 82
--- 207......Page 230
,  322......Page 345
--- non-orthogonality of, 159......Page 0182
Orthonormality relation, 64–65......Page 0087
Oscillators, general relativity theory for, 247......Page 0270
Parseval’s theorem, 98......Page 121
,  374......Page 397
,  267......Page 290
Photo induced transitions, 401......Page 424
–113,  406......Page 429
,  155......Page 178
--- localization of, 156......Page 0179
Photomultipliers, 116......Page 139
,  121......Page 144
,  123......Page 146
Photon clump model, 111......Page 134
,  404......Page 427
--- detection of, 54 (See also Photodetection)......Page 0077
--- normalization, 211......Page 0234
--- momentum of, 321–322......Page 0344
--- quantization of, 259......Page 282
,  318......Page 341
Physical information, 103......Page 0126
Pions, 133......Page 0156
,  237–238......Page 260
Plane-wave mode expansion, 273......Page 0296
,  260......Page 283
Point source, 241......Page 264
--- 426 The Nature of Light: What is a Photon?......Page 0449
Polarization, 28......Page 51
Quantum cryptography, 216......Page 239
Quantum decision theory, 223......Page 246
Poynting vector, 240......Page 0263
,  146......Page 169
Single molecule spectroscopy, 397......Page 0420
,  227......Page 250
--- Feynman diagram from, 329......Page 0352
Stochastic electrodynamics, 50......Page 73
Ramsey set-up, 71......Page 0094
--- Copenhagen interpretation of, 134......Page 0157
Quantum tomography, 349......Page 0372
--- total, 183–184......Page 0206
--- 398......Page 0421
Transquantum constants, 23......Page 46
,  133–134......Page 156
Secondary waves, 283......Page 0306
,  275......Page 298
Reverse temporal ordering, 347......Page 0370
Rydberg-Ritz formula, 85......Page 0108
,  243......Page 266
SEMT, 88......Page 111
–14,  20......Page 43
Soliton wave, 197......Page 220
Special relativity, 25......Page 48
Spinors, 257......Page 280
–258,  264......Page 287
Wave-functions, quantum, 30......Page 0053
,  89......Page 112
,  103......Page 126
,  152......Page 175
--- 428 The Nature of Light: What is a Photon?......Page 0451
Symplectic manifold, 254......Page 0277
Time, 148......Page 171
--- radiation field, 274......Page 0297
–184,  194–195......Page 217
Vacuum-induced dipole fluctuations, 300......Page 323
,  307......Page 330
--- three-component, 210......Page 0233
–124,  135–138,......Page 158
,  403......Page 426
Wigner functions, 67......Page 90
,  171–172,......Page 194
,  354–359......Page 377
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