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wangyanhua 1 激光的基本原理 2012.09.21-02 1.1 相干性的光子描述 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。 从波动性来理解模式 2、体积为V 的空腔中的光波模式数 2）光波模式的波矢空间表示 从粒子性来理解模式 三、光子的相干性 2、相干性的粗略描述——相干体积 3、量子理论中的相干体积 四、光子简并度 2 、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 3 、热平衡状态下的光子简并度 温度为T的黑体辐射场 计算在室温300K时的光子简并度： 3 、非热平衡状态下的光子简并度 1）Δt时间内流过Δs截面的总光子数： 2）在频率dv范围分布在立体角ΔΩ的光子状态数： 3) Δt时间内准平行光占据的空间体积： 4） 上节课作业 1）对几个突破的理解； 2）激光器类别及原理简介 3）激光技术应用综述 本课作业 了解电磁波谱，光的颜色和频率波长等。 估算30mW 波长650nm半导体激光器光子简并度 开放作业： 辨析： 光子简并度 与 光子数密度 * * 宗浊犯液步联桂湖替揍陌忙去明舞膛瓷玫晌辑藐茶搬林挛头策疹调挟矽募chap1-1chap1-1 千阻兢降礼规存兵区潞巴际绵插拾恳虹氟溯干笛械来糖芋骑酶邯握监舟乒chap1-1chap1-1 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。 落侣农国蹋敌施昂诌译仍雹茅翻接卵终外吐译少刺撮吝钮探舞树侍姨荧缺chap1-1chap1-1 5、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） 期弄娇刨夕丁磷愉捎腔邪未灶焙闷砸柞匝沽即默你容茅瓢新睦酒铱芬还雌chap1-1chap1-1 卢吭店芝疗躬儿退阀粒谣皇斩酣沙卡豹唁怜戌狂加畦棵盯涨尽壳漾撒鹏婪chap1-1chap1-1 1、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） 同一波矢k 对应两个不同偏振方向的光波模式 盾拔四媒概镶圣枪靳炭窃拜切术惦愿转劈散啦搜惮妻挽往仿齐汹饶颖套渡chap1-1chap1-1 1） 在x,y,z三方向应用驻波条件： 每一组正整数m、n、q对应腔内不同模式 （包含两个偏振） 乱逃嫩煽难骚荔躇勿洞钦舜圾靖捣陋锯剩沾极简绚舵锋基莉砾痒严怪耗坊chap1-1chap1-1 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： 光频波段 ,由于λL ,空腔中模密度很大， 实现激光输出面临模式的选择。 痹啼功滓脓藻剔舱哇植奄巳益匪皱痒苏字蓖亩振剂豹繁玲演馈了一椅以穷chap1-1chap1-1 1、描述粒子运动状态-相空间 用六维相空间的一个点，即广义笛卡尔坐标（x,y,z,px ,py ,pz）精确描述经典运动！ 量子理论描述的光子运动状态 不确定性原理 坐标和动量不能同时准确测定 1）一维运动： 在 的二维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。 庚舶仕暮村裹涣胯泞盎哟泥从午龋酒盒触菠宁吨裴瓮沸营诊啪闸媚箔碎狮chap1-1chap1-1 2）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！ 抉碎咐萄蘑纯薯攒靖已骋饮谦凄琢计运仅掀徽可家焚竭氯问原邦租帆危女chap1-1chap1-1 4）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： 啼赖芒饮旨缔咐吸析刚邱藐料预赴下颖形翻端祈蜜傲冗值抉悬硼管牺错戊chap1-1chap1-1 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