激光基本原理ppt课件.ppt

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1、《光电子技术》PhotoelectronicTechnique1.3激光基本原理主讲：周自刚助教：范宗学1、光子的基本性质一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、能量：2、质量：3、动量：——光子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子（传递基本相互作用的媒介粒子，自旋都为整数）。原始称呼是光量子（lightquantum)，电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。4、两个独立的偏振态1、光子的基本性质一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！5、有自旋，量子数为整数，大量光子的集合服从玻色—爱因斯坦分布对单光子自旋和轨道角动量的量子隐形传

2、态过程的图片展示中国科学技术大学潘建伟研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。2月26日，国际权威学术期刊《自然》杂志以封面标题的形式发表了这一最新研究成果。二、光的粒子性和波动性的统一：量子电动力学的理论，将电磁场量子化1、电磁场的本征模式：具有基元能量和基元动量的物质单元即属同一本征模式的光子2、具有相同动量和相同能量的光子彼此不可区分，属同一模式（状态）3、处于同一模式或状态的腔内光子数目是没有限制的4、任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本征模式的线性叠加三、光波模式——波动性1、麦氏方程的解特解：单色平面波通解：一系列单色平面波的叠

3、加2、自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可以存在!3、受边界条件限制空间的电磁波：一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在！4、光波模式：能存在于腔内的以波矢为标志的电磁波模式。同一又由于对应两个独立的偏振态，则同一波矢对应两个不同偏振方向的光波模式。5、体积为V的空腔中的光波模式数（1）设：在x、y、z三方向应用驻波条件得：又因为：则的三个分量满足：（2）光波模式的波矢空间表示波矢空间：以kx、ky、kz为直角坐标系构成的空间每一个光波模式对应该空间的一个点每个光模在波矢空间所占体积为处于空腔单位体积内，频率位于附近单位频率间隔的

4、光波模式数（光波模密度）为在频率很高的光频波段，由于λ<

5、故属于同一光子态（4）相格：一个光子状态对应的相空间体积元，是用任何实验所能分辨的最小尺度。说明：光子的运动状态只能定义在相格中，但不能确定它在该相格中的精确位置！（5）相空间体积元大小：（6）相格空间体积：一个相格所占的坐标空间体积。五、光波模式与光子状态的关系：等效一个光波模即是一个光子态，在波矢空间中占据一个体积一个光子态在六维相空间中占据一个相格一个相格或一个光子态内的光子不可区分（1）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。等效物理量：①相干时间：②相干长度：③谱线宽度：（2）空间相干性：波场中不同点在同

6、一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。2、光子的相干性和光子简并度一、光的相干性的分类二、相干性的粗略描述——相干体积①相干体积Vc：若在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的相干性，则Vc称为相干体积。相干面积:RS1S2Lx事例：双缝干涉实验中的条纹可见度要高，必须要求光波有明显的相干性，即要满足:物理意义:光源的线度不能大于!则相干面积为：说明：R、固定时，越大，则相干面积Ac越小。则光源面积为：物理意义：要使传播方向（波矢）限于张角的光波具有明显的相干性，则光源面积必须小于，此即为光源的相干面积。物理意义:要使传播方向限

7、于以内并有频带宽度的光波明显相干，则光源的体积应限制在以内。属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。结论①相格空间体积=一个光波模或光子态占有的空间体积=光源的相干体积。②相同光子态或光波模式的光子是相干的，不同光子态或不同光波模式的光子是不相干的。二、光子简并度1、对好的相干光源的衡量标准尽可能高的相干光强，足够大的相干面积，足够长的相干时间（或相干长度）。普通光源的缺陷：增大相干面积、相干长度与增大相干光强是矛盾的！激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相干光源。2、相干光强：是描述光的相干性的参量之

8、一，其大小取决于具有相干性的光子数的数目或同态光子的