激光原理 第1章 01.ppt

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1、光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播。如图（1-1）所示。习惯上常把电矢量E叫做光矢量图（1-1）电磁波的传播1、线偏振光Ex(1)线偏振光ExyEy(2)自然光z传播方向1.1.1光波（波动说对光的描述）第1章辐射理论概要与激光产生的条件§1.1光的波粒二相性2、光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系在真空中各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同激光波长范围：300-30000nm频率范围：1015-1013Hz可

2、见光：390-770nm3、单色平面波（波动方程）(1)平面波波阵面或同相面：光波位相相同的空间各点所连成的面平面波：波阵面是平面（点光源置于凸透镜焦点，点光源在很远处，太阳光）(2)单色平面波：具有单一频率的平面波（理想）准单色波:实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如称为准单色波。理想的单色平面波设真空中电磁波的电矢量在坐标原点沿x方向作简谐振动,频率为，且t=0时初位相均为零。则的振动方程分别为:其中，U为场矢量大小，代表或的大小，U0为场矢量振幅。(2)单色平面波：具有单一频率的平面波波场中z轴上任一点P的振动方程，

3、设光波以速度c向z方向传播图（1-1）电磁波的传播分析：(a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动；(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空间各点的振动状态。(b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变化；光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为T，空间周期为；时间频率为1/T，空间频率为1/，k-波矢量，大小为空间角频率。注意：理论上单色波，波列为无限长，频率为单一值，无宽度；实际上，波列长度是有限的，必有一定频率宽度，频宽越窄，波列越长。(3)平面波的复数表示法光强线偏振的单色平

4、面波的复数表示（欧拉公式）或复振幅:模量代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布光强：光强与光矢量大小的平方成正比，即(4)球面波及其复数表示法球面简谐波方程：球面波的复数表示法：行波方程光强物理意义—单位时间内，通过垂直于光传播方向单位面积的能量，用I表示。单位：W/m2一般采用I=U02光探测器只能探测平均光强！在真空中一个光子的能量为，动量为P，则它们与光波频率，波长之间的关系为：式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•S。1.1.2光子（量子学说对光的描述）1、光子的动量是一个矢量，它的方向就是光子运动

5、的方向，即光的传播方向；2、光的能量就是所有光子能量的总和；3、光与物质(原子、分子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。在现代量子电动力学中：电磁理论与粒子理论在电磁场量子化的基础上统一起来，任意电磁场是一系列电磁波的本征模式（本征态）的叠加，每个本征模式所具有的能量是量子化的，基元能量为hνl，基元动量为hkl。这种具有基元能量和基元动量的物质单元就称为：属于第l个本征模式的光子。具有相同动量和能量的光子彼此不能区分，处于同一模式（或状态）。所以，每个模式内的光子数目是没有限制的。光波模式的也就是光子的状态。体积为V=ΔxΔ

6、yΔz的空间，频率为υ处，dυ间隔内的光波模式数：在六维相空间里，力学把相空间的一个点表示质点的一个运动状态。对于光子，一个光子态对应的相空间体积为：ΔxΔyΔzΔPxΔPyΔPz----相格光子的一个运动状态只能定域在一个相格里。ΔxΔyΔzΔPxΔPyΔPz≈h3可以证明一个光波模式在相空间也占有一个相格，所以：一个光波模等效于一个光子态。相干体积：光波场内各点具有明显相干性的空间体积。VCAc是垂直于光传播方向的截面上的相干面积Lc是相干长度，可以表示为相干时间与光速的乘积原子发光的频带宽度取决于光波波列持续时间Δt物理光学中：光

7、波的相干长度就是光波的波列长度相干时间为：----重要公式，给出了激光相干时间和单色性的关系例题：为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM，它的单色性应为多少？根据相干时间和谱线宽度的关系：解：设相干时间为，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即：由微分关系，得：所以，单色性：1.2.1原子能级、简并度1.原子中电子的状态由四个量子数来确定：主量子数n，n＝1，2，3，…代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分辅量子数,代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关。对等的电子顺次用s,p,d,f字母表示磁量子数（即轨道方向量子数）m=

8、0，±1，±2，…±代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量自旋量子数（即自旋方向量子数）ms=±1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量sssPPd§1.