第1讲：认识光--光的波粒二相性

dx ' dy '
ik ( xx ' yy ') i ik 2 2 g ( x, y) exp(ikz ) exp( ( x y )) f ( x ', y ')e z dx ' dy ' z 2z
夫朗和费衍射积分（远场）
认识光
波动光学（Wave Optics）: 衍射与干涉现象揭示光波的相干性
2 R 2 2 x Ac Lx ( ) 所以距离光源R处的相干面积为： x
相干体积
=
c Lc c t 相干长度： v

2
x 相干面积：
2

2
c3 1 c 则光源相干体积为：Vc 2 2
认识光
量子光学（Photon Optics）:
在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其 加以区别；
宏观上质点的运动状态可以用位置（x, y,z）和动量 （Px, Py, Pz）来完全确定，一种运动状态对应相空间 （x, y,z,Px ,Py ,Pz ）中的一个点；
微观上的粒子运动满足测不准原理： ΔxΔPx ~ h, ΔyΔPy ~ h, ΔzΔPz ~ h
相干条件：振动方向相同；频率相同；相位差恒定
认识光
波动光学（Wave Optics）:
S1和S2两光源发出的同频率、同振动方向的光波在P点引起的振动分别为：
两光束在P点的合振动为：
P点的光强为： 由于原子发光时间很短，接收器只能探测到某一时间的平均值
而相位无规则的变化，使得：
认识光
波动光学（Wave Optics）:
k ( ) ( k 1) k

认识光
波动光学（Wave Optics）:
空间相干性：
S1
P

R
S2
xLx R
Lx
x
S
P0
其物理意义为：如要求传播方向限于 则光源应局限在空间体积Vc内
2
Δθ之内并具有频率宽度Δν的光波相干，
由空间相干性条件得：
认识光
量子光学（Photon Optics）: 光的粒子性：
能量： h； h 6.626 1034 J S h 2 动量：P k； ； k n0 2 h 质量：m 2 2 光子没有静止质量 c c
偏振态：光子有两个可能的独立偏振 态，对应于光波的两个独立偏振方向。 自旋：光子具有自旋，其自旋量子数 为整数；光子属于波色子，服从玻色 爱因斯坦分布，即处于同一量子态的 全同粒子数目没有限制。
费马原理：可证明光在均匀介质 中传播时遵从的直线传播定律、 反射和折射定理，以及傍轴条件 下透镜的等光程性等。
像差理论
认识光
几何光学（Ray Optics）:
矩阵光学的方法
---激光原理谐振腔理论
认识光
波动光学（Wave Optics）:
惠更斯原理：是以波动理论解 释光传播规律的基本原理。
光强、相位、周期（频率）、功率、波矢、波前等概念！
激光原理部分
•光与物质相互作用
•激光器的运行特性 •高斯光束与谐振腔
激光技术部分
•激光的调制技术
•激光的调Q技术
•超短脉冲技术
•非线性倍频技术
课程体系结构的介绍 激光原理部分
•光与物质相互作用 •激光器的运行特性
揭示激光产生基本原 理原理及运行特性
1、爱因斯坦的唯像理论---光与物质相互作用的机理 2、光与物质相互作用的方程----激光器速率方程理论 3、粒子数反转---光放大的必要条件 4、增益与损耗的关系---揭示了激光运行的特性
激光原理与技术
----第一讲：认 识 光
主讲人：朱广志 2015~02~06
认识光
相干光源 光源 Light 非相干光源
激光光源 照明光源
激光原理及技术 半导体光电子技术
几何光学 Ray
物理光学 Wave
激光光学
量子光学
Beam
Photon
认识光
几何光学（Ray Optics）:
光速：c 折射率：n
1、光波场的调制方式。 2、电光效应、声光效应、磁光效应等 3、调Q、锁模、非线性倍频技术及相应的器件
课程体系结构的介绍 先修课程及参考文献
先修课程：
参考文献：
激光原理 国防工业出版社 2009年第6版 周炳琨等著 激光技术 科学出版社 2009年第3版 兰信钜等著 量子电子学 上海 科学技术出版社 1983年版，Amnon Yariv，刘颂豪等译 Lasers, Anthony E. Siegman, Maple-Vail Book Manufacturing Group, 1986, SECD EDITON Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press, 2010 ，FIFTH EDITON Laser Fundamentals，William T. Silfvast，Cambridge University Press, 2004, SECD EDITON
QQ群
唐霞辉 朱广志
320520736
研究方向：
激光光源、 核心器件、 光束的传输变换技术、激光与物质相互作用
光电子学科体系介绍
Photonics应该掌握的知识
光电子学科体系介绍
光电子学科体系介绍
光电子学科体系介绍
课程体系结构的介绍 课程简介
激光原理与技术：光电子方向的核心基础课程，主要阐述激光 （Laser）产生的原理与理论，以及激光器的调制与应用技术。

1 基尔霍夫-惠更斯衍射积分： ( x, y, z ) 4
g ( x, y) i
e ikr e ikr S ( n r n r )dS
菲涅尔衍射积分（近场）
exp(ikz ) f ( x ', y ')e
ik [( x x ')2 ( y y ')2 ] 2z
•高斯光束与谐振腔
描述激光光束的传输与变换技术 以及谐振腔对光波模式的选择
1、谐振腔的模式理论及其稳定性判据 2、高斯光束（厄米高斯光束、拉盖尔高斯光束）的概念及特性 3、激光光束的传输及变换（数学的处理方法） 4、光束质量的评价标准
课程体系结构的介绍 激光技术部分
•激光的调制技术 •激光的调Q技术 •超短脉冲技术 •非线性倍频技术 讲解激光的调制技术 及核心光电子器件
在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是 一个体积元，称为相格，其在相空间中的体积为：
xyzPx Py Pz h3
认识光
量子光学（Photon Optics）:
光子动量在(x, y, z)方向的分量分别为：
S1
x
h Px Py P c P P h 由于 很小：P z c
认识光
波动光学（Wave Optics）:
在非磁性、各向同性均匀介质中，联立物质方程和Maxwell 方程可 以获得波动方程：
2U k 2U 0
Helmhotz 方程
平面波： 球面波：
认识光
波动光学（Wave Optics）: 菲涅耳数的概念：
A spherical wave may be approximated at points near the z axis and sufficiently far from the origin by a paraboloidal wave. For points very far from the origin, the spherical wave approaches a plane wave.
光子简并度ň：处于同一光子态的光子数。表示：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
小结：
• 复习了与本课程相关的光线、光波的相关知识，并给出了量 子假设的概念。 • 从经典波动理论和量子假设得到了相同相干体积的表达式， 进一步强化光量子的概念。 • 相干体积内的光子是不可区分的。 • 传统光源的光强和光的相干性是一对矛盾，如何解决这对矛 盾，是人类面临的挑战。
激光技术系（激光加工国家工程研究中心）

h3 2 2 Px Py Pz 3 c
z
P
S2
根据前述的光子态在相空间的体积为ΔxΔyΔzΔPx ΔPy ΔPz ≈ h 3可得：
h3 c3 x y z Vc 2 2 Px Py Pz
认识光
波动光学（Wave Optics）:
c3 1 c 光源相干体积为：Vc 2 2
2
量子光学（Photon Optics）:
h3 c3 相格在相空间中的体积为： Vc x yz Px Py Pz 2 2
表明相格的空间体积等于相干体积，如果光子属于同一光子态， 则它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态的光子是相干的。
是描述光场中在光的传播路径上空间横向两点在同一时刻光 振动的关联程度；亦即是说，对给定宽度的扩展 x 光源，在 空间相干性： 它照明的空间中在横向波面上多大的范围内提取出来的两个 次光源P1和P2还是相干的？ 描述到达空间定点处两列波的相关程度若在观察点前后两时刻 时间相干性： 传来的光波来源于同一波列，则它们是相干光波。称该光波场 具有时间相干性。否则为非相干光波，称为无时间相干性。
时间相干性： 时间相干性主要是由于光谱线的有限宽度形成的对光的相干性的限制。 对于理想的单色平面波： M2无论移动多大的距离都可以看到明暗交替的现象。
认识光