激光原理与技术第1章.pptx

激光原理与技术第一章 激光的基本原理第一页，共六十二页。激光的理论基础激光的发明激光的特性激光的应用第二页，共六十二页。激光的理论基础：爱因斯坦的受激辐射理论第一台激光器1960年梅曼发明的红宝石激光器激光的特性 （laser output-beam properties)单色性好，相干性，方向性好，亮度高（本质上归结为激光具有很高的光子简并度）第三页，共六十二页。主要内容光子的相干性 —光的相干性和光波模式的联系光的受激辐射概念光的受激辐射放大光的自激振荡激光的特性第四页，共六十二页。§1 相干性的光子描述光子的基本性质光波模式，光子态和相格光子的相干性光子的简并度第五页，共六十二页。§1 相干性的光子描述一、光子的基本性质光子的能量，?=h?光子具有运动质量 m=?/c2=h?/c2 光子的动量， P=hk/2?=?k光子具有两种可能独立偏振状态，左旋和右旋偏振光光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从玻色-爱因斯坦（ Bose-Einstein ）统计规律，处于同一状态的光子数目是没有限制的光子具有波粒二像性。第六页，共六十二页。§1 相干性的光子描述光子的粒子属性（能量、质量、动量等）和波动属性（频率、波失、偏振等）之间的上述密切联系在现代量子电动力学中得以解释。 任意电磁场可看作是一系列单色平面电磁波（以波失Kl为标志）的线性叠加。每个本征模式所具有的能量是量子化的，基元能量h?l 的整数倍，本征模式的动量可表示为基元动量?Kl 的整数倍。 具有基元能量h?l 和基元动量?Kl 的物质单元称为属于第l个本征模式（或状态）的光子。具有相同能量和动量的光子彼此间不可区分，因而处于同一模式（或状态）。每个模式内的光子数目是没有限制的。第七页，共六十二页。§1 相干性的光子描述二、光波模式和光子状态按照量子电动力学概念，利用波动和粒子两种观点，说明：光波的模式和光子的状态是等效的。光波模式 光子状态驻波相空间、相格第八页，共六十二页。§1 相干性的光子描述（一）波动观点1.光波模式：在一个有边界条件限制的空间V内，具有特定波失k的平面驻波 能够存在于腔内的驻波称为电磁波的模式或光波模。（1）一维驻波的形成过程 行波遇到障碍物后返回与原行波的叠加一维驻波形成一维驻波满足条件第九页，共六十二页。§1 相干性的光子描述（2）同理二维驻波的形成条件：在x，y方向上满足的条件第十页，共六十二页。§1 相干性的光子描述（3）三维驻波2 波失空间和几何空间在V=?x ?y?z的立体空腔内，沿x, y, z 三个方向传播的驻波应满足的驻波条件为：m, n, q 为正整数 第十一页，共六十二页。§1 相干性的光子描述在以kx, ky, kz为轴建立直角坐标系，即在波失空间中表示光波模。沿三个坐标轴方向传播的驻波应满足的驻波条件为：波失k的三个分量满足每一组正整数m, n, q对应腔内的一个模式(包含两个偏振）第十二页，共六十二页。§1 相干性的光子描述在波失空间中，每个模对应波失空间的一点。每一模式在三个坐标轴方向与相邻模的间隔为每个模式在波失空间占一个体积元第十三页，共六十二页。§1 相干性的光子描述在波失空间，波失绝对值处于的区间的体积为在此体积内的模式数为在体积为V的空腔内，处在频率为?附近频带d?内的模式数为第十四页，共六十二页。§1 相干性的光子描述（二）粒子观点相空间、相格 对于微观粒子，人们用广义迪卡尔坐标x, y, z, Px, Py, Pz的六维空间描述质点的运动状态。此六维空间称为相空间，相空间内的一点表示质点的一个运动状态。 光子的运动状态受量子力学测不准关系的制约。——微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定。 在三维运动情况下，测不准关系 在六维相空间中，一个光子态对应（或占有）的相空间体积元为相空间体积元称为相格第十五页，共六十二页。§1 相干性的光子描述（三）等效性一个光波模是由两列沿相反方向传播的行波组成的驻波，因此一个光波模在相空间的Px, Py和Pz轴方向占有的线度为在相空间可改写为结论：一个光波模在相空间也占有一个相格 一个光波模等效于一个光子态， 一个光波模和一个光子态占有相同的体积。第十六页，共六十二页。§1 相干性的光子描述三、光子的相干性光子态、 相干体积光的相干性理解: 在不同空间点上，在不同时刻的光波场的某些特性的相关性。光场的相干函数来度量若在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的相干性，则Vc称为相干体积。Vc=AcLc=Ac?ccAc—相干面积（垂直于光传播方向的截面积）Lc—传播方向的相干长度相干时间?c是光沿传播方向通过Lc所需的时间 Lc=?cc单个原子发出的光波列及其频谱第十七页，共六十二页。§1 相干性的光子描述对波列进行频谱分析?t?1/??另已知光波的相干