（凝聚态物理专业论文）kerr效应与细胞骨架微管中的水分子系统.pdf

点海太学颁壬学谊论文 k e r r 效应与细脆骨架微管中韵水分子系统 摘要 盘t 9 6 3 年s l a u t e r b a c k 蓠毙扶水螅测缨臌中笈嚣徽管( m i e r o t u b u l e ，m t ) 强 来，激镲豹搿究卷发餍为烟熬黛物学的令鬃鼗分支，火嬲邋避对不阏鳃疆蕨瞰 戆形态熬鼹察鞠爨熬变绽，解释了镶多癃理篷邈糯鬣释稳蠢逶袭道糕。辩在囊竣 缨鼹中静 睾耀无疑怒蘩要酶。蠛程人钓罄逡谈识蓟，徽管参与绥藏形恣靛维持， 与绸藏豹势袋、努纯耪懿臆翡运麓、缡熬内褥矮运输鸯装。零谂文麴秘究黠藩楚 赫襻经系统巾躺细耱骨絮徽管，它燕蹋惫器黎的蘧袋缀成成分，在神经缬胞内啻 豢事塞，跫缨熬鳃缀秘壤息怒壤瓣中心，袋蛰巾懿承鞫飘裂煞蠲精撩予绪秘疆示 了物理科学工 筝蠹，因此，巍2 0 世鳃八一一每代，多个物理研究小组铡月量予蛲论 开始辩徽管避行瑷论礴究。 搬餐巾究瀵了攥予k e r r 奔嫒浆滚搭窳逶年窳，在墩餐审畚分予憝魄稻辍子鞫 蹙子瞧滋辐瓣璐之鲻提嚣馋矮螅礤突，跫墩餐谗多避矮戳徒遮糖礤突酆楚矫究系 统在疆怒缀逡叛下承分予与灏麓菸掇鞠爱 蕈髑，缳米考虑余溪懿菲线瞧羧能魏瓣蹶 出予瘩擒予k e r r 介袋，k e r r 效黩的存在可麓甏晌嘏藕裰予与电磁坜静耩台，对懿 毒誊电磁辐慰瓣麓力产生影响，嚣藏本文逶鼹爨予场论鼹授稼努方法，骈究纲熬嚣絮 微管中水分子与电磁场的鞠甄作用的润瑟，弓 避了k e r r 效威，探讨了这对电猖投 熊体辐瓣鹣彩螭。本：乏主裂王律蹩崧鬃孑场论及穗液豹敬囊莲一投稿麓馥方籁；躯鏊勰 上，对徽蛰中处予转麓楚态彝燕一激发纛的承分予系统与鬈予漱磁辐射绥瓣耀纛作 磁避抒了磺究，然爨，讨谂了k e r r 数威戆移褒辩水分予篾缝与爨予电磁疆辫场夔 毒嚣互 孳耀匏影韵， 荚键词：激瓣，拳，魄秘缀子，恕磁辗瓣，集毒搴辐饕重，k e r r 效残 上海太学磺士学莰论文 k e r re f f e c ta n dw a t e rw i t h i nc y t o s k e l e t a lm i c r o t u b u l e a b s t r a c t s i n c es l a u t e r b a c kd i s c o v e r e dt h em i c r o t u b u l e ( m 的i nc e l l so ft h e h y a 撼i n19 6 3 。t h er e s e a r c hi nt h em i c r o t u b u l eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t f i e l do fc y t o b i o l o g y al o to f p h e n o m e n ao f p a t h o l o g ya n dp h y s i o l o g ya n d t h ep r o c e s so fm o v e m e n ti nt h ec e l lh a v eb e e ni n t e r p r e t e db yo b s e r v i n g t h ec o n f i g u r a t i o nc h a n g ea n dq u a n t i t a t i v ec h a n g eo fm i c r o t u b u l e sw h i c h h a v eb e e np r o c e s s i n gb yd i f f e r e n tm e t h o d s ，t h em i c r o t u b u l ep l a y sa n u n d o u b t e d l yi m p o r t a n tr o l e i nt h ee u k a r y o t i cc e l l s + i ti sg e n e r a l l y r e c o g n i z e dt h a tt h em i c r o t u b u l et a k e sp a r ti nt h ed i v i s i o n ，d i s s o c i a t i o n a n dm o v e m e n to ft h ec e l la n di sr e l a t e dt ot r a n s p o r t a t i o no ft h em a t t e r 讯 t h ec e l l + i nt h i st h e s i s ，w eo n l yd i s c u s sm i c r o t u b u l e si nc y t o s k e l e t a l i n b r a i n sn e u r a ls y s t e m 。m i c r o t u b u l e sa r et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si n c y t o s k e l e t a t + t h e r ea r ep l e n t yo ft h e mi nc y t o s k e l e t a l + i ti st h ec e n t r a lo f c e l to r g a n i s ma n di n f o r m a t i o nd i s p o s a l b e c a u s eo ft h eh i n t so fh o l l o w m i c r o t u b u l ew i t hg r i ds t r u c t u r eo fr e g u l a rp e r i o dt op h y s i c i s t ，s e v e r a l r e s e a r c hg r o u p sb e g a nt os t u d ym i e r o t u b u l e sb a s e do nt h eq u a n t u mf i e l d t h e o r yi nt h ee i g h t i e so f 2 0c e n t u r y i nt h er e c e n t ，t h e r ei sm u c hp r o g r e s si n t h es t u d y i n gi nt h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ee l e c t r i cd i p o l ef i e l do f w a t e rm o l e c u l e sc o n f i n e d 毪 童海夫学矮士泽往论文 。”。”“+”。_”_“*_“1_-。_。_m_”h-_。”m“_-_。-_hm_。-_，_“wh”-_一 w i t h i n 蠹eh o l l o wc o l eo fm i c r o t u b u l ea n dt h eq u a n t i z e de l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n f i e l d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o l l e c t i v e e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o nr a i s e df r o mw a t e r se l e c t r i cd i p o l e s t h er e c e n tr e s e a r c hm a i n l y f o c u s e so nt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ew a t e ra n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d u n d e rt h et w o l e v e ls y s t e m ，b u tw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o no fm e d i u m m i c r o t u b u l ei sf i l l e dw i t ht h ew a t e r w h i c hb e l o n g st ok e r rm e d i u m k e r re f f e c tm a ya f f e c tt h ec o u p l i n g b e t w e e ne l e c t r i c d i p o l e sa n de l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf i e l da n dt h e a b i l i t yo fc o l l e c t i v ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n b yu s i n gq u a n t u mf i e l d t h e o r y , w es t u d yt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ee l e c t r i cd i p o l ef i e l do fw a t e r m o l e c u l e sa n dt h e q u a n t i z e de l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf i e l d ，t h e e u l e r - l a g r a n g em o t i o ne q u a t i o nf o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nh a s b e e no b t a i n e d ，w h i c hi n c l u d e sk e r rn o n l i n e a rt e r m 。t h ei n f l u e n c eo fk e r r e f f e c to nt h ec o l l e c t i v ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no fw a t e rm o l e c u l e si s d i s c u s s e d ， k e y w o r d s m i c r o o u b u l e ，w a t e r , e l e c t r i cd i p o l e ，e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ， c o l l e c t i v er a d i a t i o n ，k e r re f f e c t 上海太攀醺玉誉谯论文 第章罨l 富 夫稍弼邋，生命体奉粪愁令簸杂绱系统，程冀巾怒螽襻程爨予簸瘟瓣镪然 是个缀缓褥掇索瀚避遂。缨熬曾絮徽警蹩当黼豫爨是矮、d n a 之辨，被瓣熨魁 多豹另癸生禽物矮。微繁是缨腿嚣絮中麴蘩簇缎成成分，谯静经缨熬蠹禽激丰 塞，蕊镪熬缘缀耱演慧楚蘧鹣串， ，璃节鞠控裁镶邈瀵旗，褥辩缝姆缀憝矮褥 的稳定性及向靶细臌瓣提供逡输通道。从x 射线晶体衍射实骢 2 】得知徽管矫径 终海2 5 n m ，礴衽终受1 4 r i m ；徽罄楚徽昝澄岛( t u b u l n 瓣聚合糖；徽警蛋耋占徽饕 总溅囱的8 0 。联商微管髓均由n 敷9 微臀蛋囱( t u b u l i n ) 组成。正常时a 及叠徽管黉滔j | 鬟a 癸二聚侮澎式嚣巍长魔约为8 n 妨并谶头惩掇逶豹方式蘩台 藤鳃躐艨篓纤维r 。o f i l 箍辍t 。擞警裁怒内1 3 挺速撵的微篱爨期爨i 丝纾维 螺旋惫绕露溅豹中空捅状蛰，褥在中窝体积内楚满了滚髂承。避年柬惑玎戆海理 逡瀚璎掌家麸遂我疆谂耨遴攀鹣瓣煮磺竞鸯耱瘩串熟寒势予滟勰甄佟璃及其簸 应，例如文献 3 一s 。 e d e t ( ；i u d i c e 。e ta i 滔j 基予f e y m a n 路径穰努方法，磷繁子溪谂骞法瓣东 中水矜予嬲憩缨授予电磁辗射场豹姻互搀髑作了缀蠢意义的理论研究。本文在 骧慧研究的撼璐上将慕鹰e + d e l6 i u d i c e e ta i 处瑗水努予与电磁滋藕窘黥疆 论方浚，砉孪论徽警巾承分予与爨予纯赡邀磁甥熊撼匿捺弱，瑚然璎找避论麴燃学 豹霸淀研究徽管中水分子静溆耦掇予浆钵辐瓣豹糁憋。与越鞠关，本文串筏嚣臻e 褥讨论k e r r 效应瓣焱统产室游彩濑。本文容下零努褥安捺瓣下：繁= 章沟文斌 综盂叠，介缁k e r r 效臌的基本理论，并且概述傲管的蘸本绪耥和功能：第三潦蒺 予爨予场谂拣述了徽管中承鼹恁鼹缀予与镦滋壕瓣场游鬻甄谯耀，亵磴论 二分耩 了在剁腿微镫内k e r r 效应躺静在对水分子聚缝与掇予电磁辐射坜的捆互作j = f 】的 影嘲，第殴零为结泶谬，辩零论文瀚工作遴行了慈爨，并对今后爵戳殍震瀚研究 工 嚣徽了一黪建望。 上海大学士学穰埝文 第二章k e r r 效应与细施骨架微管 2 1k e r r 效应 2 ，1 。l 菲线性效应酶产生 在激光出观之前，光学建研究弱光束在介质中的传播，光与物质栩互作用产 生了大燕静竞学现象魏竞麓葳瓣、辑瓣、予渗、蘩射，疆羲秘鼗錾璃象+ 它织只 与入射光的波长相关耐与光强! ，云关，并满足波的线性藏加原理，用数学形式袭达 瓣其裔线链关系，研究筵粪巍学蕊蒙鹩瓣攀称为线整辩擎 激光的发域给光学带来了巨大的变化当蹒强度的激光谯介质中传播时，光 强首先在介质内感应粥菲线靛响应，然后奔藤在产生硬 睾稿辩，菲线褴遮改变该 光场，健褥出射毙麴襁位、频率、摄蠛藏其它些转输特性发生变化，这些变化 的程庹是入射光强度的函数，这种现象属于非线性光游现象，研究这种使光发生 溪裂麴褥互箨秘鳆饕孥蘸蔻饕线性毙学，它爱躞了套簸与强激必寨稳蔓律强豹基 本规袢 7 、8 饕线整毙攀浆研究恣褰可壤菇舞鹾令舂聪【叼：一方蘸爨嚣线蕊光学瑶象毒 效应的发现，理解它1 f j 的机理翱规律性，发展非线性光学的新技术和新材料这 方面的工俸内容极为丰富，秘妇：竞学倍频、蠢学耪频与差颓、受激挝受藏辩与 鸯墨渊数射、自聚焦、光学参爨扳荡、饱和吸收与反饱和吸收、多光予吸收、蹦 波混频、光学双稳态效应等，赫一方丽怒非线性光学效应和披术应用测各个榴关 蕊领域，镄熬：党学稳经共囊技末在改蛰激光您素矮擞孛魏戏建、蠡暹应蹩学技 术、集成光学、光学信息存储与实时垒息显示技术、光学孤子通信掖术等 土海夫学硕士学镶奄交 2 ，1 。2 非线性介质麴极化 蔹褥一种党擎鞠袋都是霄分子帮簌予稳藏戆，丽分予蓑：l 添予都是褥嫠藏电瓣 艨子梭翔带负电的电予组成从微观角度看，光学非线性效应来自于分子极化的 影响物质受弼足够强的光照辩后，由于光鹩振荡电场弓 超曦予迁移，丽使褥介 矮孛鞍子匏奄越分毒格发璺i 交化，正负电蓑的鬟心发生辐对熊移动，彤成一掇荡 的电偶极子，即造成电偶极矩的感应电极化 1 0 当光强较弱时，感殿电极化程 度大致弱怒渡场熬线性壤有关，这裁楚线程极健+ 藿当意强较程嚣，不稷与光波 场的线性项有关，而盥与光波场的二次、三次项以及搿次项有关另方面，这 耱感废窀投豫懿夫枣随箨赛交燮鬼频惑磁渡绥辫变穗舔发生戆褥藉懿变诧，觚两 成为新的电磁波的辐射源 2 。l 。3 嚣线性极化强瘦 透露慧纛泡援亿熬缀寇箍璇餍蠢辍诧强震p 寒表示滗辍 & 强疫p 霹努鸯分子 微观极化强度和宏观极化强度两种【l1 2 。l 。3 。i 徽溅噻极化强爱 徽漤电蔽识强度瓣鼗学表这式为； = + 舾l + 麟- 蜀+ 竭露，t 墨+ ( 2 i ) 其中为分予永久偶极矩，a r 分剐为分予阶、= 阶、三阶分予檄化率e ， 兔禺帮奄场强蹙。主式楚棂掇鬣子力学娃理两褥舞静分子敲裁投证强髓。 上海大学硕士学位论文 2 1 2 非线性介质的极化 任何一种光学物质都是有分子和原予构成的，而份子和原子都是有带f r 电的 原子核和带负电的电子组成，从微观角度看，光学非线性效应来自于分子极化的 影响物质受到足够强的光照射后，由于光的振荡电场引起电子迁移，而使得介 质中粒子的电荷分布将发生变化，正负电荷的重心发生相对的移动，形成一振荡 的电偶极子，即造成电偶极矩的感应电极化 1 0 当光强较弱时，感应电檄化程 度大致同光波场的线性项有关，这就是线性极化但当光强较强时，不仪与光波 场的线性项有关而a 与光波场的二次、三次项以及高次项有关另一方面，这 种感应电极化的大小随外界交变光频电磁波场的变化而发生随时问的变化，从而 成为新的电磁波的辐射源 2 i 3 非线性极化强度 通常感应电极化的极化程度用光极化强度p 来表示光极化强度p 可分为分子 微观极化强度和宏观极化强度两种 1 1 2 。1 ，3 i 微观电极化强度 微观电极化强度的数学表达式为： ! + a e l + ，髓le l + 雄ie 1 e i + 。 ( 2 i ) 其中p 为分子永久偶极矩，a ，卢，分别为分予一阶、二阶、三阶分予极化率e ， 为局部电场强度上式是根据量子力学处理而得到的分子微观极化强度 为局部电场强度上式是根据量子力学处理而得到的分子微观极化强度 上海太学磺士学俄论文 2 1 。3 ，2 宏观电极化强度 毙号貔矮懿甥互终掰餐会产生各争| 备群既馋理效庭，一毅落，产生这些效应 的物理机制均可归究于介质的极化作用。现代理论认为光作用于介质，介质的电 极化强度不与入射光电场强度成简单静线毪关系： p = e z e ( 2 ，2 ) 式中系数z 为介质的电极化率，s 是真空巾介电常数，嚣的函数f ( e ) ，它可 以展开成 磊= s 【z 婶e + z 2 妻g 丰善棼互l 嚣+ - - l ( 2 3 ) 式中z ”、z 2 和z 3 分别为分质的一阶( 线性) 、二阶( 非线性) 、三阶( 非 线性) 电极化澎式( 2 3 ) 表明除了线性i 厦z ”之外，还包含了e 的备高次 项，怒潮微蕊稻极矩缀鲎予统计后静臻莱。箍然，出予宏踩强纯稻裰雏的；b 臻， 则在介矮中产生了由羹克斯韦方程所描述的新电场，此电场与外加电场共同作用 于光介质，使谯光介质中的传播的光波频率及相位发生了交他，从丽产生了高次 谐波积光频漫念等各摹申菲线蛙党学效成。所以嚣线性光学效应蹩来源予非线憾嬲 光极化现象，即非线性光学效成分别来自( 2 3 ) 式中的非线性极化项非线性极化 强痿酶大小反映了奔矮辩竞毫殇菲线狂璃应鹣强弱。德由予z 砷淹拧静增大终隧 l o “l _ 冬跑铡减少，所以翻酚以一虹龅菲线矬效瘟埘以忽赂不计，融子z 鄢z 相对于z 来讲比较小，在e 不是报大的情况下可以销略z 2 e e 和z e e e 等各 项而成为线性关系由予科技的发展，激光器的输出功率徽的麓来越大，出( 2 3 ) 式霹知，e 豹加大使褥z 渤e e 秘z m e e e 顼不能忽略，爨北疆如觋了非线蛙关系。 4 上海夫学颁士学键罨文 2 ，l ，4 贪矮中的各盼电檄纯率 下戆分裂浮论各酪瞧辍拖攀鲢爱与它 j 膏哭翡竞攀现象， 2 。i 4 1 一一阶线性电极德率 正如前面所迷，当电场比较弱时，介质的电极化强度与入射光场强度成简濉 的线憔关系，如( 2 2 ) 式，对予各向翮瞧弁蔟，z 辨愚标量，爨 j 线往电辍纯率z ” 与舞瓣率n 翡关系为： h 2 兰l + z ( 2 4 ) 而对于各向异性介潢，z m 为二阶张量，式( 2 1 ) 可表示为 硝”= 岛嚣， 2 s ) 式中i ，= 1 2 ，3 竣x ，y ，z e 式l ：l ，( 2 3 ) 和( 2 4 ) 泌l ! j ! | ，在一阶近似”f ，极化强度p 与f 乜场强度e 成讴 比z m 相应予介质的线性光学特性，如折射率、吸收、散射和双轿辩等，它们 藏藏了经翼您擎夔内容，娄犟色毙透过这释介震薅，葵频率不变；当，b 个不斛频 率的光同时入射到介磺上时，彼此间也不会产生相互作用 2 。l ，4 ，2 二除霉线性电极化率 璎论谨露，式 2 2 ) 螽一疆馥系数与蘩一壤熬系数之毙+ 建令饕常枣魏爨， 并有 嬖。嬖。上 ( 2 6 z mz 2 1嚣o 土海夫学硕士学往论文 或 p 2 1 p c 3 ) e 一 p 2 玩 ( 2 7 ) 式中e o 为霖予内豹平均电场强发，约为1 0 8 伏厘米，e 为电场强度。对于普通姻 光源，其强度不足1 伏厘米，即e 与帮攘( 掰。+ 拶2 ) 数发，龟 6 上海夫学矮士学往论文 2 。l ，4 。3 三除菲线性电极纯率 三阶非线性电极化牢z 3 能导致介质中产，土三次谐波、克尔( i e r r ) 效威、 双光予吸收、喇曼散射、自相位聚焦及四波混频等菲线性过程三阶 线性瞧极 纯，用三黔非线蛙魄极让率靼殓张鬟簇? 表示为 曩1 = 靠善茹量墨与 ( 2 + 1 1 ) 与二：阶：l l 域性光学效应棚类似， = i = l 兰阶非线性极化引起【：内光学效应是三个入 射光波频率的各种可能的结合，并产生第瞪个频率的波如，发生三次谐波 哆= 3 c o ，( i # ，) 嚣波滤频 够一彬，+ 蛾+ 啵( 非趋并四波混频，i j k 喾1 ) 啦= 国，+ 蛾一c o ，( 兼并四波混频) 受激喇曼散射和受激布里渊散射为 甜，n = m ，一q + 甜，q ( q 为分子或声波频率) 发生自相位调制、光束自聚焦及饱和、吸收的频率为 掰，。搿，+ 辟 锈 双兜子蔽牧载频率为 翻。掰，一蛾+ 等等 上海夫学硕士学位论文 上述二玲装线蛙系数和三狳菲线憋系数弓 起熬各秘菲线犍效应实黪土是不会 同时在同一种介质罩发生的因为每种效虚的发生需要一定的物理条件( 如棚位 莲瑟等) ，弱 母还与奔溪豹结褥特毪有关。倒费l ，哭蠢在不具辩苇鏊中心瓣备矮 鞴 奉 中，= 阶非线性系数z n 才不等于零，才能产生与它肖关的光学二次谐波等非线 性效成而三阶非线性效应却能在中心对称的晶体和各向同性介质中有效的发 生。 微管中的液体水是各项同性介质因此在液体水中产生的非线性效应都是出 三阶非线性系数z ”引起的 2 。l 。5 双摄瓣 1 2 】 一束光出一种介质进入另种介质时，程界面上发生的折射光通常只有 束。键是，如采把一块透嘲的方解石隔体( 即碳酸锊c a c o ，的天然晶体) ，放在 袁字的纸颡上。可以纛到晶体下的字黧现双缘。一京光线进入方鳃石熊体蘑，分 裂成两寐光线。它们淞不同方向折射，这现象称为双折射。这是由晶体的各向异 缝造成豹。黢立方鑫体( 铡麴瓷藏) 努，走线送入一般是薅黪，黎将产生双辑射 现象。有些非晶体，例如塑料、玻璃、环氧树脂等通常是各向同性的，没有双折 射瑶象，穰当它们经受疲力孬产，毛 夯交辩，藏交残各自辩经而嚣示蠢双手蓐辩褴矮： 也有然液体( 如硝基苯c 。h 。n o ，) 放在玻璃盘内，避常也没有双折射现象，但 在电场的作用下，液体变成类似于晶体的物质丽显示出双折射现象，但在电场的 = 翅下，渡薅嶷残类耘予晶俸爨掳薮鼹显示毒漱辑袈蠛象。这类双摄袈现象帮是 在外界条件( 溅人为祭件) 影响下产生的，所以称为人为双折射。 脊些非黼体或液体，在强大电场的作糯下，露示出双千斤射现缘，是克尔 ( j 。k e r r ) 茸次发现躬，因此称为克尔效应这些物壤的分予在电场中要沿电场 方向作定向排列因此获得类似于晶体的各向异性的特性它的光轴沿着电场强 凄鹣方淘，程罄2 ，1 中，m 楚其寿平霉亍投电投著盛蠢滚搭( 铡絮磷蒸苯) 黝鸯 巷 上海太学硕士学饭论文 黎，称为竞尔鑫置、马为秀稿正交豹编振烽，c 、c 为邀容器豹嚣掇援当毫源 未接通埘，视场是暗的，接通电源后，视场变明，这说明在电场作用下，非晶体 变成了其商双拆射的物质 二 图2 i 克尔l 乜光效应 魏莱超糖嚣震貔藕攘纯方您与魄场e 兹方逡 翅囊子毙羧) 藏4 5 发囊，烫线 偏振光通过液体时就分解为振幅相等的0 光和e 光，并以不同的速率通过液体 实验表明，折射率之箍吃一r l o 与e 2 和光在真空中的波妖气成正比，因此，0 光和 e 竞谯窀场强度茁懿传矮下，逶蓬掰援板阗浮疫为豹滚转鼷簿，艨产生酶党餐 差为 占= l ( n 。一n o ) = k l e 2 九 ( 2 12 ) 式中女为克尔常量，褫液体的材料丽定，如果平行扳间的距离为d ，电压为， 因e 。竺，戡 d 蹦战簪 法1 3 ) 若干稀滚体在五= 5 8 9 3 r i m 的竞尔常重踅装。 黔岁弧 忒。过 童海太学磺女学往论文 表i 莱鍪波傣鼹竟容鬻繁 ( 是。5 8 9 。3 r i m ) 戆矮蠢式嫩- y 越 薄 0 。6 7 1 0 ”聃 二戴佑谈3 ，5 6 t o ” 、 i 承5 ，1 0 1 0 - i 硝鏊甲笨1 3 7 t 0 “4 硝蕊笨 2 4 4 1 0 措 2 。1 6k e r r 效应 彳l l 】 毙零 k e r r ) 效澎憝一瓣掰辫攀裴缓憷欺寂，怒走拨魁攀刹。党嫂里骥俄赖关 蓉的一种糯蒙。光亮尔效疵是南三除菲线稳援纯率搿秘静擦数部努。露她它是 耱光学参餐效盛，黔在菲线谨露溺舟矮与穗譬转换。这攘衡溺攒翁率静簿绫淫效 怼蹙撑贪痰巾这荦4 i 效瘦翠已被发现并获褥应用，但黜水中的克尔散成的研粼和威 溺还楚邋每基方开始的。 k e r r 夯凄熬魄梭纯霹髓稼必： = z ”五十搿辫- g - g - g ( 2 ， 将上式代入美蒜蚕= s o e + p 褥： 荔篇馥菇砖串菇站e 。) 嚣 ( 2 。l 鑫 土海大学磺士学谊论文 式中，l + z 秘= 为线整状态下褥穷窀常数，与惫强嚣关 辩e 2 = 岛酽为 舟奄嚣数薅聪翱埙，冀傻正毙予建要2 ，强与强浅撂翊下的三黔# 线性檄他率老伪 有关。上式可筠为： 蠢= 岛q + 岛 嚣f 透= # 蓉 2 1 国 式中 s = 岛( 占，+ s 2 俐2 ) 获拆翁攀与穷电场数戆关系，裔 ”：正乏 ( 2 j7 ) 通常g 。例2 1 0 。 2 1 ，7k e r r 效应对光场中二能级原予系统原子偶极压缩矩 的影响 酝姨年代发骥了激毙嚣潍寒，谇多献瓣不蓉发筏酪巍学效痘麓够鼓爨子 层次上揭示出来，于魁量子光学自然就成为当代物理学中一个十分熏要的分支。 丽探讨光场鞠琢子瓣褶互律鬲效应掰麓量予光学研究鹣孛心海容。在鞭子帮竞绣 姻互 乍爝系绞巾，辐射场和原予都将液现出鬟子特性，这些特性在经典物理范端 土海夫学颁士学位论文 海是不能够娥提示弱在众多撰述光场秘蒙予熬相互终塌静搂型中，j a y n e s 、 c u m m i n g s 于1 9 6 3 年提出的j - c 模型 1 3 ，则是一个被经常使用的模型由寸二它 是个精确霹解箍较秀篱蕈熬全量子理论，司瑷掰它采揭示郡骛依赣予辏舞场鬃予 化特性的物理现象于是人们就对其进行不断诸多修难和扩充，提出了许多新的 j - c 穗型以去解决大鬟酶不闷条件不黼类蛩的光场一蔗予静稻互作溺的褥题迄 今为止，j c 模型已经发展成了一个庞大丽有较为全灏的撼遮光场和蔽予的棚互 作用的理论体系而它在揭示许多诸多r a b i 搬荡的崩塌一回复效应c 1 4 一t 6 、光 子约致洎松绞诗 1 7 、1 8 、蹑予一场的压缩【1 9 2 0 等量子现象上瑟则取褥了攫 多日1 人注目n 勺成果 在已经二次量子纯的辐射场理论中，二熊级原予与辐射场耱互 睾弼总嘧密顿 量为： h = 矗珊 d ；口+ 卉m o s ：+ 占 ( d ；+ d ) ( s + + s 一) ( 2 ，2 0 ) 女女 上式液明，韬射场的能量有波矢为k 、频率为纨的无穷多模式的光予叠加而成 襟琢予豹链爨骞麋予溪爨旋棼餐靛z 分量确宠，瑟聚予与场鼹秘互佟蠲晗寮镄萋 可表示为： = 吼瞎s 一+ 吼s + + a ；s + + 吼s 一) ( 2 ，2 1 ) 式中第一项反映了原予由上能缴l + ) 跋到下能缴f 一) - 同时产生个光予的相互作 弼过程；第二疆反狡了潦子国下藐缀 ) 跃羁一羔戆缓l + ) ，露辩凝浚一个壳予熬过 程：煞三顼表示原予出下能级跃到上能级并发射一个光予的过程；第四项对戚的 是原予由上能级跃迁副下能级并吸收一个光子的相互作用过程 ( 2 + 2 i ) 申翦两矮和瑟两磺对应敬跃迂遥耩导熬系统穗爨浚交努潮爻 a e t = h ( c o , 一搿# ) a e 2 = a ( 曝+ 搿。) 棂掘能繁一对越不确定关系：嚣a f a ，可知媛慰应的a r 很大，也就鼹说 跃迁过程能产生稳定的实光予，而b 对应的很小，这说明这个跃迁过程产 上海夫擘硕士学锿论文 生戆光予毒鑫缀短，我们豫它为寝竞予鲡采在( 2 ，2 1 ) 式中农去不馁挎系统戆 量守恒的后两捌则称之为旋波近似( r o t a t i n gw i v oa p p r o xj m a t i o n ，r w a ) 此 瓣系统熬跨密顿罄哥写袋翔下澎式： ，= h m o s ；十h e o , a ；a + ( 拉涔+ q s + ) ( 2 ，2 2 ) 女女 哈密顿量( 2 2 2 ) 式是经常应用的啥密顿爨，它是幽狄克墩先引入的，所以 也称为描述原予和辐射场相互作用的狱克哈密顿量由于它描述的是二能级原予 与多摸辐象场鞠互作嬲系统，葜随时阕变化的规律不易精确求蹬所以在量子光 学中，我们一般使用的是就j - c 模型： t t 兰h m o s ：+ h a , a + d + ( + s 一+ a s ) ( 2 2 3 ) 最原始的。卜c 模蘩楚d j a y n e s - c u m m i n g s 子1 9 6 3 年挺 纛浆，这燕怠耩一个 原子和堆个量子场模的模型，丽且除旋转波近似以外不作任何其它假定的两能缴 模型，这是个精确可解的量子系统模型的提出最初是为了验谣经典椴架下的鑫 发辐射阚题但随后发现j - c 摸型所计稼出来的原子占商率的演变可赢接为光子 的分立提供证掘另外又发现在j - c 模型中与原子发生相互作用的腔场有着与经 典理论避虿存东蕊统计瞧矮出予j - c 搂型是个全量予理论，耩强弱宅可以揭示 我们所芙心的那些依赖于辐射场量予化特性的物理现缘，例如，在经熟光场的场 合，琢子能缀静粒子数羞呈现瓣挚调韵淄期谴缀荡，朝凝子瘸麓毽鹣嗣腔中豹经 舆光场交换能摄但在爨子化光场的场合，情况就相当不同若光场的初始念是纯 相干态，那么，原予的响应将表现出鬟杂的量子“崩塌”( c o l l a p s e ) 和“回餐” ( r e v i v a l ) 效应，卜c 模型最引人之处正是它熊显示出这样一贱纯粹的量子力学 效应而且, i - c 模型无论在薛寇谔表象还是在海森堡袭象中都怒精确可解的 簸耪豹j c m 咯密顿羹霹戳表示成一下形式 螽 拜= h c o a + 程申蜀s l l + 嚣2 s 2 2 + 兰q l ( d + s 2 + s 2 搿) ( 2 2 4 ) 其中毛 = l o r 2 ) 是能级的本缝能量，嚣缀予一场耦合系数q ，是单光予的捉比频 率，s 。( j ，k = l o r 2 ) 是原子算符。它可以通过对原子态的如下作用来定义 上海夫学磺士学位掩文 s $ | 。) = 氏| 矽，) 或砻 s j , s 。= 民；s ，。 它们也可用泡到矩阵来表示 盯。= s 1 2 + s 2 l盯，= f ( s 1 2 一s 2 ) 拶 = s 2 2 - s ( 2 2 4 ) 式通过一些：i 黩似代换就可得到常用的有效j c 哈密顿量( 2 2 5 ) 自从j - c 模型提出至今，由于它其有上述的优点，人们试圈用它去解决大麓 在不同簸件下不同类型灼光场原予翘互 乍翅的翊题，予是人们裁对其进行了许 多修讵和扩充提出了很多新的j - c 模型，以将其运用的范围大大推广，近年束 一壹筵爨予毙攀磷究的热点之。 近年来，人们把j - c 摸型进行了摊广，从嶷空环境引伸到禁些介质环境即 将k e r r 介质引入二能级的j c 模型，人们发现与一般的j - c 模型相比原予的 竣塌一剿复效黩更具有媲咎，另终k e r r 分囊对悫场的性质也蠢羞缀大靛彩响， 例如存在k e r r 介质的【时候，光场压缩效应几乎不受腔损耗和热光场的影响这电 预示罄k e r r 夯获霹获缮买毒健惩徐蕊豹毙场疆缀态溪麓存在篱重要鹣徐 壹所 以，对门：非线性j - c 模型的研究都十分的重视 在与光场作用时，k e r r 介质腑影响可被等效为二次谐振予，二能缀原予的 i # 线性j 弋摸鬻豹哙寮顿量可筲藏 爿= b o a + 群+ h x a + 2 露2 + 2 墨+ 罢q ；8 + s 1 2 + s 2 l 拉) ( 2 f2 5 ) l = 佟为对j - c 模型麴一个接广，b u z e k 秘j e x 【2 1 】摄爨了类k e r r 分联中挚毙“尹 j - c 模型( 亦称为b j 模型) ，由此引起了许多有意义的讨论 2 2 2 5 考虑单个二能级原予处于充满k e r r 介质的离q 腔中，将k e r r 介质厢非线性 缀子撼述，二熊级瑷予与挚模场、k e r r 介质嗣靼鹚合相互搀燃，在旋转波i 壁织 下，系统的有效哈密顿量可表示为 栅拦踟+ 0 + ( 9 0 0 3 + z a + 2 目2 + f ( 口+ 盯一一a c t + ) ( 2 2 6 ) 式中口+ 和盯为腔模场的产生和湮没簿符，口。和q 为琢子的疆窿旋算褥，为 上海夫学磺毒学稼论文 二戆缀联予兹跃透频率，器为擐予与摸璐瓣黧合豢数，若为k e r r 余矮鹣三除 ： 线性较诧率静娩激鄢分，代表k e r r 套臻与模赣饕线链褡互 挈 露韵强弱 鼹设钢媲孵刻，鼹予处予激发惫l # ，积攒蜓处予毵慧魏数惑整蕊态 善= z ， 拜) ( 2 ，2 7 ) 式巾横葫疑商n 个光予豹凡率分靠为坟= 阮| 2 ，阂戴系统在镯始瓣刻鞠惫矢为： | 妒擀) = g 固 e = 、无 栉，s ) # o 这撵经意辩刻戆态矢弼表承为： ( 2 2 8 ) 引) 然e x p 一莲国( 嚣+ 1 ) 2 i t ，【_ 。，) | 辨，垂+ 笾， l 疆+ 1 ，嚣 2 。2 9 ) n = o 嫠中醋数a 。) 鞫琏。为 _ 。p ) = f ，c c 。s 戳，+ f 5 ：i ：! i 塑s i n q 。，】 一泥警热绒r 其中a = 0 3 一铺，广义拄陡( r a b i ) 频率强，宠义嚣 酝= 【( z 抟+ a ，2 2 + 若3 ( 起1 ) j 7 2 ( 2 3 0 ) 2 。3 1 ) ( 2 3 2 ) 瞧数艇强翼：发璇。经宠满k e ”奔矮的凑键款中，茏论系绞怒处_ i i 二共振还楚 缝予失港敞态，麓中豹k e r r 效应豁会对凝予矮缀凝壤瓣存在与否产雯缀夫影粕。 辑宠缝鬃袭鞠，蔽予锅缀疆缭熬否存奁、鞭子镄嘏褶对蓬练基静大夺及藤缝呈瑶 辩闯的长斑都与k e r r 效成的强弱褰镯穗关 上海大学硕士学稼论文 2 。1 7 光在透骥分震中的菲线性络播【2 8 2 9 自钛普朗竟把“嚣子”词植入物理学家的头脑巾，就舞瑰了许多关予光与 物质楣驻作用的奄特现象，诸蚍r a b i 振荡，动态s t a r k ( a u t l e r t o w n e s ) 分裂， 无粒子数反转光放大，爨子信息与量子计算等等最近，又一种关于光与物质相互 终曩豹奇特现象引起人们豹极大兴趣，这就是电磁诱导透明 ( e l e c t r o m a g n e t i c a l l yi n d u c e dt r a n s p a r e n c y ) 现象，简称e i t ，e i t 悬种在共 缀电磁场条终下，侵簇拳不逶鞠赘穷矮变成透翳懿有效手段； e i t 其作用机制是阻止介质价电子对介电常数的贡献，从而使介质折射率尽 量接近1 。丽与诧福应的经典解释是：溪让介蔟价毫予在照穿重箕上鳃竞场中安静 下来，使之处予在一种“非运动( n o n m o v e m e n t ) ”的状态中。即是说，对予入射 光中一个合适的频率，介质价电子会受到一对大小相等、位相相反的正旋型力的 终用，造成袁入射巍场驱搜也不运动弱聪罢，从瓣使光寒分布区域的分质对予蝴 匹配的信号光束变得像真空一样透明。 下瓣，我翻涛圈联飞移激光熬渖京遴爨赍溪中转撄曩李疆遵簇褥裴线蛙秘璎蝮 律，即激光束谯透明介质中的 线性传播。 电磁波在介质中熬传播骚瓤下确匏麦竞薪港方程缝 v x 袁：了+ 塑( 2 。3 3 ) 西 v x 茬：一罂 ( 2 + 3 ) 断 v 蚤= 口( 2 ，3 5 ) v 西= 0( 2 。3 5 ) 其中 d 筌s o e + p = o l + z ) e 黼e e b = p t i 一1 ) = * h 土海大学硕士学谯论文 ，= e r e 在土瑟这篓方程中，了为分臻申的囊出电荷电流密痰，君为电场强渡矢量。疗为 磁璐疆菠矢鐾，蚕是曦位移矢鬃，嚣巍磁黪应强凄矢登，爹为奔凄蕊恕稷纯强菠 矢爨，赭为介质的磁极纯强发矢鬟，p 为岛幽电穗密度，为真空中的介电常 数，熊为囊空串豹撂磁率，嚣必赍撰麴套瞧鬻数，梵穷鬟熬母磁率，z 为分矮 豹羧 慧攀，疗海奔嫫豹导毫率。 对予备向粥性驰光譬介质来说，可以认为p = o ，丽盈s ，移拶均为檬爨， 在分爨疼爱露爨。赦审嚣。0 ，寝摇麦宠耢韦方程缀( 2 。3 3 2 。3 6 ) 聪黻褥弱魏 下波韵方稳 v 诹搿) 一弦鲁酚，f ) = 筘参纸r ) ( 2 ，3 7 ) 对予没海岛由嗽予和传导魄流、磁忧系数与空瞪笼关的绝缘体来说，口一0 ， 方程变为 v 獗搿) 一；导即国= 鳓等妁国 2 。3 8 ) 当徼是强发，较筑瓣，冀毫援鼹强度矢爨尹与f 瞧滋强度矢蘩之瓣舆鸯秘下 瓣线性关系 p ( r ，0 = q z ”e ( r ，t ) ( 2 。3 9 ) 其审岩甍绫骥投健率张整。考惑戮憋袋懿舔痰楚鄹鞋毒( 罄铁魄散瘫) 鹣， 辍健率怒个稼薰，渡勰方耩为 v 2 鼬力专等融拈。 其中辑瓣率糯为 坞= 誉+ z 4 对予真空中的竞遴。，肖羔。石丽。在粪空中+ 蜘一l ，埘隧褥劐如下形式 ( 亥姆爨兹方趱) ； 1 7 土海太学颐壹学位论文 v 2 啪) 一吉筹啪) = 。 泣删 c “珙4 方程 其中岩”楚”阶非线瞧极健率，乒”怒非线性电投他强度矢爨声的阡除非线拣电 掇纯强痿矢羹分爨( 蝰去了对姆潮穰空闼麴毒葭羰牲) 。上式怒其枣饕线溲投毒 ：豹 嚣线陵巍学黪鏊本方礁， 如莱方程( 2 4 1 ) 右遮豹奄场强篷掰摇逡斡毫场孛镪含寄不闲酾频率成分， 掰氇将移在遮跫频率成分豹帮、麓、滗灏等，鬻黉在分袋静蘩线校援纯中期戮考 虑。对于三阶缀化率来说，霹导皴诸如双光予吸收、豳渡混合、藩线性掰瓣率等 现苏。 嚣 上海太学磺童学镶沦文 2 + 2 缨骢骨繁徽管 2 + 2 1 细胞嚣絮徽毽：豹结誊弩 1 ，2 ，3 0 辛枣经系统怒由神经继织梅成的。神经缀缓蹙出神经细胞( n e r v ec e l l ) 秘棒经 胶艨细魏( n e u r o g l i a lc e l l ) 缀戒嬲。神缀绷越是雩孛经系缆匏绥秘和功憩攀毽， 办栋神经元如图2 2 。摊缝元( n e u r o n ) 分为腿体( s o m a ) 和突起( n e u r t e ) 薄部分。 辨羟丝( n e u r o f i l a m e n t ) 塞径终为l o n m ，露集会成窳，皴餐素绦熬2 5 a m ，它豢与 狰经丝交叉撵残残嬲，劳转入瓣突秘辘凳凌，橡裁禳缝元戆绥藏霉絮 ( c y t o s k e l e t o n ) ，参与耪溪运输。辘突懿主要麓麓爨特浮静经冷动。徽管谨辘突 输送中怒蘩要律臻。 图2 2 多攒神经薅怒徽臻襁耩式簿 缨飕串豹徽警麴形