量子欠陥

量子欠陥という用語は、レーザーにおけるエネルギー損失とアルカリ元素におけるエネルギー準位という2つの概念を指します。どちらも物質が光と相互作用する量子系を扱っています。

レーザー科学

レーザー科学において、 「量子欠陥」という用語は、ポンプ光子のエネルギーが一般に信号光子（出力放射の光子）のエネルギーよりも高いという事実を指します。このエネルギー差は熱として失われ、多モード非コヒーレントポンプによってもたらされる過剰なエントロピーが熱によって奪われる可能性があります。

レーザーの量子欠陥とは、レーザー発振中に増幅媒体において励起光子のエネルギーのうち失われる部分（発振波長の光子に変換されない部分）と定義できる。^[1]励起周波数と発振周波数が与えられた場合、量子欠陥はエネルギーの次元を持つ。このような量子欠陥はエネルギーの次元を持つ。効率的な動作のためには、増幅媒体の温度（エネルギー単位で測定）は量子欠陥よりも小さくなければならない。 $\omega _{\rm {p}}$ $\omega _{\rm {s}}$ $q=\hbar \omega _{\rm {p}}-\hbar \omega _{\rm {s}}$

量子欠陥は、次のように定義することもできます。特定のポンプ周波数と特定のレーザー周波数では、量子欠陥; この定義によると、量子欠陥は無次元です。^[^{引用が必要}^]固定のポンプ周波数では、量子欠陥が高くなるほど、電力効率の上限は低くなります。 $\omega _{\rm {p}}$ $\omega _{\rm {s}}$ $q=1-\omega _{\rm {s}}/\omega _{\rm {p}}$

水素原子では

理想的なボーアモデルのアルカリ原子（ここに示すナトリウムなど）では、単一の外殻電子がイオン核の外側に留まり、水素原子と同じ軌道にあるかのように振舞うことが予想されます。

アルカリ原子の量子欠陥とは、水素波動関数の古典的な計算によって予測されるエネルギー準位の補正を指す。アルカリ原子の単一の価電子が経験するポテンシャルの単純なモデルは、イオン核が有効電荷eを持つ点電荷として作用し、波動関数は水素原子の場合と同じであるというものである。しかし、イオン核の構造は、小さな半径におけるポテンシャルを変化させる。^[2]

水素原子の1 / rポテンシャルにより、次式で表される電子結合エネルギーが生じます。ここで、はリュードベリ定数、はプランク定数、は光速、は主量子数です。 $E_{\text{B}}=-{\dfrac {Rhc}{n^{2}}},$ $R$ $h$ $c$ $n$

軌道角運動量が小さいアルカリ原子の場合、価電子の波動関数はイオン核において無視できず、有効電荷e を持つ遮蔽クーロンポテンシャルではもはやポテンシャルを記述できなくなります。しかし、スペクトルは依然として、角運動量に依存する量子欠陥を持つリュードベリの式によって良好に記述されます。 $\delta_{l}$ $E_{\text{B}}=-{\dfrac {Rhc}{(n-\delta _{l})^{2}}}.$

最も大きなシフトは軌道角運動量がゼロのとき（通常は「s」と表記される）に発生し、これはアルカリ金属の表に示されている：^[3]

要素	構成	$n-\delta _{s}$	$\delta_{s}$
李	2秒	1.59	0.41
ナ	3秒	1.63	1.37
K	4秒	1.77	2.23
Rb	5秒	1.81	3.19
Cs	6秒	1.87	4.13

参照

参考文献

^ TYFan (1993). 「Nd:YAGおよびYb:YAGにおける発熱」. IEEE Journal of Quantum Electronics . 29 (6): 1457– 1459. Bibcode :1993IJQE...29.1457F. doi :10.1109/3.234394.
^ http://www.phy.davidson.edu/StuHome/joesten/IntLab/final/rydberg.htm Archived 2007-03-14 at the Wayback Machine 、 Rydberg Atoms and the Quantum Defect （ Davidson College物理学科サイト）
^ CJFoot, 原子物理学, オックスフォード大学出版局, ISBN 978-0-19-850695-9

[LaserQD-1] TYFan (1993). 「Nd:YAGおよびYb:YAGにおける発熱」. IEEE Journal of Quantum Electronics . 29 (6): 1457– 1459. Bibcode :1993IJQE...29.1457F. doi :10.1109/3.234394.

[2] ttp://www.phy.davidson.edu/StuHome/joesten/IntLab/final/rydberg.htm Archived 2007-03-14 at the Wayback Machine 、 Rydberg Atoms and the Quantum Defect （ Davidson College物理学科サイト）

[3] CJFoot, 原子物理学, オックスフォード大学出版局, ISBN 978-0-19-850695-9