光电子技术第三讲激光产生的物理基础材料.ppt

(二)光波模式和光子状态 (2)光波模式特点 (3) 光波模式表征 (3) 光波模式表征 2 光子态 2 光子态 2 光子态 （3）相空间体积 3 光波模式和光子状态的关系 3 光波模式和光子态的关系 3 光波模式和光子态的关系 3 相干体积 3 相干体积 此光束内的光子具有动量测不准量，因为?很小其各分量为 3 相干体积 若这些光子处于同一相格内，则光子占有的相干空间体积为： 量子电动力学从理论上把光的电磁（波动）理论和光子（微粒）理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，在理论上阐明了光的波粒二象性。 二、光子的相干性 15 三、 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数目。 14 3、光子简并度：处于同一光子状态的光子数目。用 表示。 5、相干光强与光子简并度的关系：相干光强的大小取决于光子简并度的大小。光子简并度越大，则相干光强越大。反映光源的单色亮度。 4、光子简并度的等效含义 光子简并度 =同态光子数=同一光波模式内的光子数=同一相干体积内的光子数=同一相格内的光子数。 13 三、 光子简并度 四、光的受激辐射基本概念 1 受激吸收 如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较高能态，这种过程就称为受激吸收。 12 受激吸收跃迁几率： ：受激吸收跃迁爱因斯坦系数 只与原子本身性质有关 与原子本身性质和辐射场能量密度有关 没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。 2 自发辐射 11 例如：普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。 四、光的受激辐射基本概念 10 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 原子在能级 的平均寿命 只与原子本身性质有关，与辐射场无关 2 自发辐射 四、光的受激辐射基本概念 若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光子来，这种过程叫做受激辐射。 各个原子受激辐射的光是相干光 3 受激辐射 9 当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 四、光的受激辐射基本概念 ：受激辐射跃迁爱因斯坦系数 只与原子本身性质有关 受激辐射跃迁几率： 与原子本身性质和辐射场能量密度有关 当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程 3 受激辐射 四、光的受激辐射基本概念 8 原子体系热平衡温度为T，在能级En上的原子数为Nn，则 k为玻耳兹曼常数，上面的统计规律称为玻耳兹曼正则分布， g n为主量子数为n 的能级 (能量为E n)简并度 7 4 爱因斯坦三系数的相互关系 四、光的受激辐射基本概念 玻尔兹曼统计分布： 或 热平衡时，处于高能级的原子数总是低于处于低能级 的原子数。即 N1为处于能级E1的原子数， N2为处于能级E2的原子数 E2E1，则 6 4 爱因斯坦三系数的相互关系 四、光的受激辐射基本概念 由于受激辐射和受激吸收是由于外来光引起的，故单位时间的跃迁几率应与原子周围该频率的辐射能量密度成正比。因此 设dN21为dt时间内由E2自发跃迁到E1能级上的粒子数，则 5 4 爱因斯坦三系数的相互关系 四、光的受激辐射基本概念 在热平衡状态下， 两能级之间，单位时间受激吸收的光子数应等于受激发射和自发发射的光子数 得到 4 由普朗克公式: 4 爱因斯坦三系数的相互关系 四、光的受激辐射基本概念 3 即 上面两关系式叫做爱因斯坦关系式，虽然是在热平衡条件下推出的，但它对普遍情况仍是适用的。 是单位时间粒子由E1能级跃迁到 E2能级上的几率, 是单位时间粒子由E2能级跃迁到E1能级上的几率。 4 爱因斯坦三系数的相互关系 四、光的受激辐射基本概念 结论： 1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。 2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。 4.自发辐射：相互独立、互不相关。 5.受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。 受激辐射光子与入射光子属同一光