激光产生的基本原理

光程与位相
t l1 l2
v1
v2
n1l1 n2l2
c t
光波位相由光程决定 光程与位相的关系
2 nl
1.2-2 光强
光波是电磁波
电磁波的性质
①电磁波是横波。E k , H k
②电矢量与磁矢量相互垂直。
E
H
③电矢量与磁矢量同位相。E H k
④电矢量与磁矢量的幅值成比例。 o r Eo or Ho
平均能流密度（辐射通量密度）〈S〉 〈S〉— 坡印廷矢量的时间平均值大小 光强：光的能流密度对时间的平均值。
I = <S >
因 S n o A2 cos 2 (t kr ) o
又因 cos 2 (t kr ) 1
2源自文库
因 cos 2 (t kr ) 1
2
即 1 cos2 (t kr )dt
光能E =h ν 波的能量与频率成正比
1900年普朗克提出能量量子化
假设, 产生了能量量子化概念.
Max Planck 1858----1947
1905年爱因斯坦提出光子理论
和光的波粒二象性。将光解释
成一种能量的集合 — 光子
ε=hν。
Albert Einstein
1879----1955
*光除了具有波动性外，还具有粒子性。
A-- 振幅； -- 时间周期； -- 时间频率
-- 时间圆频率, 表示在2 时间内的振动次数
(t+o) -- 简谐振动的位相。
振动方程式：
E(t)
A cos( 2
T
t o)
E(t ) A cos( t o )
o -- 是 t = 0时刻的位相值，称为初位相
、和 间的关系：
根据：1888年赫兹用实验 证实了电磁波的存在。
解释：光的反射、折射、干涉、 衍射、偏振、色散双折射等现象
光的波动本性可由麦克斯韦方程组完美----描述
无线电波
可见光波长 ~400nm--760nm 光谱图中最短的γ射线波长 ~0.1nm 最长的无线电波波长 ~cm--m
c（光速）＝λ（波长）* ν（频率） 可见光频率4.3*1015HZ（红光)—7.5*1015HZ
k
2
空间圆频率--长度内的波长数
真空中 c 0
介质中 V
波动除考虑振动方向外，还要考虑 波的传播方向。
波
矢
k
其方向 其大小
: :
波的传播方向
k 2 (波数)
、 是对沿传播方向而言的空间周期 和空间圆频率。
(4) 球面简谐波
(r, t )
a r
cos[(t
kr
0 )]
a：波源强度即单位距离处的振幅。 a/r：距球心r处P点的振幅。 -kr：距球心r处P点的位相，P点的
波粒二象性是一切基本粒子所共有的属性。
1.2 对光的描述？
1.2-1光是光波
(1)振动 振动：一个物理量在其平衡位置（或平均
值）附近作周期变化。
简谐振动: 振动的物理量随时间t 的变化具
有周期性，且在每个周期中都按 正弦或余弦函数规律变化。
振动方程式：
E(t
)
A cos( 2
T
t o)
E(t ) A cos( t o )
则
S EH o r E 2 n o E 2
or
o
对单色平面波 E = Acos (ωt - kr )
S n o A2 cos 2 (t kr )
o
(瞬时值)
∵光频率极高1014 HZ量级,现有仪器无法 测量瞬时值。
∴测得的“光波强度”是在观察仪器的响
应时间 内的 — 平均能流密度<S >
只有遇到磁性特别强的材料（如铁磁体）时才 需讨论磁矢量H与物质的相互作用。
（2）光强
波动的传播总伴随能量的传播,电磁波的 能量传递用能流密度矢量（坡印廷矢量）
S表示。 S EH
能流密度的大小： 单位时间内通过垂直于能流方向的
单位面积的能量。
能流密度 因为
S EH
EH
而且
o r Eo or Ho
1.1 光是什么？
光是什么？
光学现象：光沿直线传播、反射、折射、 干涉、衍射、偏振等现象。
光的特性：波动性、粒子性
光的微粒说
公元前5世纪—17世纪末，18世纪初。
观点：光是发光体发射出的微 小粒子，所以光是沿着 直线行进的。
1642----1772 Sir Isaac Newton
光的机械波动说
(2) 波动
波动：振动在空间的传播。
波场：波动中被传播的是一个分布在某 空间范围、随时间变化的物理量 E=(t,r)，所以一个波动过程也称 为一个波场。
波函数: 描述波动过程的函数。是r 和 t 的函数。
(3)一维平面简谐波的波函数
(z,t)
A cos[ (t
z v
)
o
]
A cos[2 ( t
位相比球心O处落后kr 。
(5) 高斯光束
（6）光程与位相
定义光程 ： [ l ]= n l
均匀介质中:光程表示光在该介质中走过的 几何路程l与介质折射率n的乘积。
因为 n = c / v，
于是得 [l ]/ c = l /v
可见：光程表示光在介质中通过真实路径 l 所 需的时间内，在真空中所能传播的路程
0
1 1 [1 cos 2(t kr )dt 1
02
2
所以
I
1 n
o A2
或者 I nc o A2
⑤电磁波的传播速度：介质中
v 1
o r or
真空中 c 1 o o
c v
rr n
r r ;又 非铁磁介质中 r 1 n
r
（1）光矢量
实验证明，许多检测光的元件如光电池、光电 倍增管、感光胶片，以及光化学作用光合作 用、眼睛的视觉等，它们对光的响应主要是由 电磁波中的电场所致。
光与物质相互作用时，以电场强度矢量为 主，用E表示光场，电矢量E叫做光矢量。
T
z
)
o
]
A cos(t kz o )
其中: , v , , , --波长.
波动的基本特点：具有时空周期性。 t 增加到 nT 时，振动重复原来的状态 Z1和 Z1+ n 的两点具有相同的振动态
时间周期性和空间周期性通过V联系在一起
比较
λ= V T
2
T
时间圆频率--长度内的周期数
17世纪末—19世纪上半叶
观点：光是一种在“以太”的 弹性介质中传播的机械波。
1629----1695
解释：光的直线传播、反射、折射、干涉、 衍射、偏振现象。
光的电磁说
1865年麦克斯韦建立了光的电磁理论。
观点：光波就是电磁波。
1831～1879
(James Clerk Maxwel) 英国物理学家