周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理.pdf

§1 激光的基本原理 §1 激光的基本原理 §1.1 相干性的光子描述 §1.2 光的受激辐射概念 §1.3 光的受激辐射放大 §1.4 光的自激振荡 §1.5 激光的特性 §1.1 相干性的光子描述 一、光子的基本性质 光具有波粒二象性，光在传播时显示波动特性 （频率、波矢、偏振等）;光与物质相互作用 时显示粒子特性，光子与其它粒子一样具有质 量、动量、能量等。光的波动性与粒子性有着 密切的联系 1、光子的能量：与频率相对应 ε hν （1.1.1） h是普朗克常数，h=6.626 ×10-34J•S 2、光子具有运动质量： ε hν m 2 2 （1.1.2） c c 按相对论： m 0 m 2 υ ⎛ ⎞ 1−⎜ ⎟ c ⎝ ⎠ m0 为静止质量 当υ c 时，分母为0 ，要求分子也为0 所以： m0 0 因此：光子无静止质量 3、光子的动量：与单色平面波波矢 相对应 k hν h 2π P mcn n ⋅ n k （1.1.3） 0 0 0 c 2π λ 其中： h n ——光速c的单位矢量，即光子运动 2π 0 方向的单位矢量 4、一定种类的光子具有一定的偏振态，对应光波场的 偏振方向 5、光子有自旋，自旋量子数为整数，属于玻色子，服 从玻色——爱因斯坦统计，同态光子数不受限制，光 子简并度可以很大 二、光波模式和光子状态相格 （一）、光波的模式 １、自由空间中光波的模式 波动方程的特解之一：单色平面波 E (r ,t ) E e i 2πνt −ikr （1.1.4） 0 k 波矢 是该单色平面波的特征矢量：反映光波的传播方向和频率 2π 2πν k e e k k λ c 一个传播方向、一个频率、一个偏振态确定一个光波模式 结论：自由空间中任意模式的光波均可以存在 2、空腔中的模式 矩形腔： 2a ×2b ×l x