第一章激光的基本原理报告.ppt

第一章 激光的基本原理 概述激光的基本原理.重点讨论光的相干性和光波模式的联系.光的受激辐射.光放大和振荡的基本概念. 1.1 相干性的光子描述 1.2 光的受激辐射基本概念 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 1.光子的能量与光波频率对应: 2.光子具有运动质量,并可表示为: 3.光子的动量与单色平面光波的波矢对应: 4.光子具有两种可能的独立偏振状态. 5.光子具有自旋,并且自旋量子数为整数.同一状态的光子数没有限制,这是光子与其他服从费米统计分布的粒子的重要区别. 二.光波模式和光子状态相格 1.波动理论,阐明光波模式: 在自由空间:任意波矢k的单色平面波都可以存在 有边界:只有特定波矢k的单色平面波存在 定义:这种能够存在与腔内的驻波称为电磁波的模式或光波模. 腔体积V= , 驻波条件: 波矢K的三个分量应满足条件： 将上式代入 每个模式在波矢空间占有一个体积元： 在体积为v的空腔内,处在频率 到 间内的模式数为： 2.粒子理论,阐明光子态: 相空间体积元:相格来描述 一个光子态对应的体积元为: 相格是相空间中任何实验所能分辨的最小尺度. 光子的运动状态只能定域在一个相格中,不是对应相空间中的一点,也不能确定在相格中的位置.(测不准关系决定的)量子化效应. 当能量远大于 ,动量远大于 时,量子化效应忽略,量子力学运动过渡到经典力学运动.相格占空间体积为 可证明光波模等效于光子态 . 三 .光子的相干性 光的相干性:在不同的空间点上，在不同时刻的光波场的某些特性的相关性。 光源的时间相干性:相干长度 , 相干时间 。 光源的空间相干性:相干面积: 相干体积: , 认真仔细阅读:搞清普通光源面积为多大,才能保证两双缝发的光是相干的. 光源的相干体积: 相格的空间体积=相干体积，同一光子态的光子是相干的。 四.光子简并度 对于普通光源,增大相干面积 ,相干时间 和增大 相干光强是矛盾的.为了增大相干面积和相干时间,可采用减小 ,缩小光源线度或加光阑以减小 以及远离光源等方法,这都将导致相干光强的减小.1948年出现的全息技术,没有应用价值.激光器却是一种把光强和相干性两者统一起来的强相干光源. 相干光强:决定同态光子数目. 简并度 :处于同一光子态的光子数.光子简并度具有以下几种相同的含义:同态光子数,同一模式内的光子数,处于相干体积内的光子数,处于同一相格内的光子数. 光的受激辐射基本概念 一.自发辐射,受激吸收和受激辐射: 1.自发辐射: 自发跃迁 自发跃迁几率 自发跃迁几率与原子本身性质有关 2.受激吸收: 受激吸收跃迁 受激吸收跃迁几率 与 有本质不同， 不仅与原子本身有关还与辐射场有关。 3.受激辐射: 受激辐射跃迁 受激辐射跃迁几率 二. 的相互关系: 热平衡态下的波尔兹曼分布 热平衡态下, (或 )保持不变,于是有 或 由上述关系式及黑体辐射的普朗克公式 可得: