chap1-1.ppt

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1、1激光的基本原理2012.09.21-02wangyanhua1一、光子的基本性质光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、光子的能量：2、光子的质量：3、光子的动量：4、光子有两个独立的偏振态。1.1相干性的光子描述wangyanhua25、光子有自旋，且自旋量子数为整数，大量光子的集合服从玻色——爱因斯坦分布二、光的模式和光子态、相格处于同一模式或同一光子态的光子数目是没有限制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参照量子电动力学概念利用波动和粒子两种观点来理解：光波的模式等效于光子态（光子的状态）w

2、angyanhua3模式：1）光子彼此不可区分2）实验上区分的方法：能量、动量、频率、偏振？自由空间和腔内空间的区别。wangyanhua41、Maxswell方程组特解：单色平面波、球面波、高斯光束通解：一系列单色平面波的叠加自由空间:不同模式以k区分，任意波矢的平面波均可以存在!受边界条件限制空间：只允许驻波光模式存在（稳定的存在）。模式：场的空间分布形态（振幅分布，相位分布）从波动性来理解模式同一波矢k对应两个不同偏振方向的光波模式wangyanhua51）在x,y,z三方向应用驻波条件：2、体积为V的空腔中的

3、光波模式数每一组正整数m、n、q对应腔内不同模式（包含两个偏振）wangyanhua6每个光模式在波矢空间占一个体积元，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光波模式数（光波模密度）为：2）光波模式的波矢空间表示光频波段,由于λ<

4、相空间面积元内的粒子状态在物理上不可区分，属于同一光子态。从粒子性来理解模式wangyanhua82）三维运动：六维相空间体积元内的粒子状态在物理上不可区分，属于同一个光子态。3）相格：一个光子状态对应的相空间体积元。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！wangyanhua94）相空间体积元大小：5）相格体积：一个相格的动量空间体积：2、动量空间中的光子态：一个相格的坐标空间体积：wangyanhua10一个光波模式或一个光子态从波动的观点得到光的模式，与从光量子的观点得到光子的量子态概

5、念等效六维相空间中占据一个相格在波矢空间中占据一个体积在动量空间中占据一个体积属于一个模式一个光子态一个相格的光子不可区分wangyanhua111）时间相干性：波场中同一点不同时刻关联特性。描述时间相干性的物理量：①相干时间：②相干长度：③谱线宽度：2）空间相干性：波场中不同点在同一时刻的关联特性。从衍射的角度理解1、光的相干性的分类三、光子的相干性受限于同一原子发光的间断性。受限于不同原子发光的独立性。wangyanhua121）相干体积Vc：Vc内各点的光波场都具有明显的相干性。相干面积:双缝干涉实验条纹可见度

6、要高,源于光波有明显的相干性,要求:物理意义:相干光源的线度不能大于!2、相干性的粗略描述——相干体积RS1S2Lxwangyanhua13则距离光源R处的相干面积为：说明：R、固定时，越大，则相干面积Ac越小。则光源面积要求：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。光源的相干体积：wangyanhua14光源的相干体积：物理意义:要使传播方向限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。wangyanhua15属于同一光子态的光子是相干

7、的，包含在相干体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。RS1S2Lx较小时，x,y方向的动量不确定范围是：xyz3、量子理论中的相干体积wangyanhua16光子态：相格的坐标空间体积=相干体积一个相格的坐标空间体积wangyanhua17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。3）不同光子态或不同光波模式的光子是不相干的。2）相同光子态或光波模式的光子处于一个相格中是相干的。wangyanhua181、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

8、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！四、光子简并度激光光源：同时具有大的相干光强与好的相干性wangyanhua192、光子简并度=相干光强：描述光的相干性，具有相干性的光子数目或处于同一光子状态的光子数目,用表示。平均光子数玻色子的特性决定光场的光子简并度是没有限制的光子简并度=同态光子数=同一光波模式内