激光原理与技术ppt课件.ppt

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1、激光原理与技术西安电子科技大学技术物理学院刘继芳第一章激光的基本原理1.光波场的一般概念§1.1光波模式和光子态光学介质：一、光波模式无限大介质中由(1)(2)式的到电磁波动方程§1.1光波模式和光子态光速：对于定态(单色)波(3)式中§1.1光波模式和光子态光学均匀介质光学色散介质非线性光学非均匀介质()线性光学(研究范围)(4)式中§1.1光波模式和光子态定义(4)式为二阶偏微分方程，有一组可排序的正交、归一化、完备特解，按坐标系可有：每一个特解表示一个独立存在的场分布，称为光波场的一种模式。平面波、球面波、柱面波、高斯波、贝塞尔波等例如直角坐标

2、系，为平面波解：则：§1.1光波模式和光子态沿z轴传播的平面波：可见：等相面为z=常数的平面。即xy面由均匀介质条件：得到以平面波为例：zxyExEy而要求Ez=0横波(TEM)且Ex、Ey独立。可见平面波的特征量是k值，k不同表示不同的平面波§1.1光波模式和光子态2.空腔内模的概念(有边界约束)xyzL1L2L3用分量表示为用分离变量法求驻波解约束和边界条件要求kx、ky、kz出现不连续(无约束时，k连续取值)§1.1光波模式和光子态有约束和边界条件对k的要求实际为形成稳定驻波条件：频率不连续！§1.1光波模式和光子态相关概念：(1)空腔约束条

3、件下，特解变成驻波解，称为驻波模。(2)一组数(mnq)或一个TEMmnq模有两个独立偏振态。记为：和，算2个模。(2)一组数(mnq)或一个TEMmnq模有两个独立偏振态。记为：和，算2个模。在k—k+dk内有多少个可能的驻波模？模的区分特征量为kmnq(或mnq)不连续。所以一组数(mnq)代表一个驻波模，记为TEMmnq模。(一个驻波模可分解为8个行波模)问题：§1.1光波模式和光子态二、模式数目和模式谱密度kxkykzkdkok空间模式数目的数法：在k空间，相邻模间隔：一个模在k空间占据的体积：只要算出k空间的体积Vk，则模式数为Nk=Vk

4、/Vk(m,n,q)一组数表示一个模。相邻模m—m+1，n—n+1，q—q+1§1.1光波模式和光子态0—k内的模式数目：k—k+dk空间内的模式数目：得到—+d内模式数目M：应用两偏振态§1.1光波模式和光子态模式谱密度：是单位空间体积内单位频率间隔的模式数目—+d内模式数目M可表示为：怎样减小M，在光频段是个难题激光的产生就是解决了这个难题！§1.1光波模式和光子态三、光子态和光子态谱密度(1)光子能量1.光子性质(2)光子质量(3)光子动量(4)光子内在自由度2—两种独立偏振态(5)光子自旋量子数1—服从E—B统计(波色子)波动量

5、子内在联系§1.1光波模式和光子态2.光子的状态经典(牛顿)粒子的状态与相宇中的一个点对应而光子的状态遵从测不准关系，即一个光子态与相宇中一个相格h3相对应！描述粒子的状态参量是：位置(—x,y,z)和动量(—Px,Py,Pz)以(x,y,z,Px,Py,Pz)构成描述粒子运动状态的相宇空间。xxPxPxxxPxPxh3§1.1光波模式和光子态与讨论光波模式相同，光子运动限制在图示的在矩形空间相格h3是一个客观存在(限制)：是任何实验手段在相宇中所能区分的最小尺度。共存于相格h3的两个光子是任何实验方法无法区别的。不能区分，就是同一个状态。xy

6、zL1L2L3得到空腔内运动的同一状态光子在动量空间占据的体积：§1.1光波模式和光子态单位体积单位频率间隔的光子态数—光子谱密度PxPyPzPdPo现在求P—P+dP中的光子态数结论：等价即：属于一个模式的光子处于相同的量子状态一个光波模对应一个光子态光波模光子态§1.1光波模式和光子态=同态光子数3.光子简并度在给定的体积内，一般存在大量光波模式。因而每个模式的光波能量很小，或者说同态的光子数很很少，或者说光子简并度很小。=同模光子数=同相格光子数如果能采取某种措施，在保持总光子数不变的条件下，把模式数限制在很少几个，那么，光子简并度就会急剧增大

7、。同态的光子具有相同频率、相同运动方向、相同偏振态。§1.1光波模式和光子态四、光子相干性1)时间相干性1.光波的相干性研究光波场中固定P点t1、t2两时刻光扰动之间的相关性。可借助于迈克尔逊干涉仪来说明：光源S发出的光波经部分反射镜M分解为两束，沿不同路径传播，经M1和M2后在P点重合。若光程差

8、验来说明：光源S的线度x，到双孔距离R，双孔S1和S2间距L。考察与S1和S2距离相等的O点干涉条纹。当L