激光原理课件 (1)
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第1章陈鹤鸣激光原理ppt课件
或
单色型最好的普通光源氪同位素86， / 106
氦氖激光器， / 1010 ~ 1013
5
3. 相干性好 相干条件：振动方向相同、频率相同、相位差恒定。
激光：相干光
普通光源：非相干光
普通光源是发光中心的自发辐射过程，不同发光中心发出 的波列，或同一发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随 机的。
S
(
)2
—光束平面发散角
对于普通光源，只有当光束发散角小于某一限度，光束才
具有明显的空间相干性。
对于激光来说，所有属于同一个横模模式的光子都是空间 相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。
空间相干性的演示
9
4. 高亮度
亮度：光源的明亮程度，主观量
光源在单位面积、单位频带宽度、单位立体角内发射的光功率
14
5. 激光在国防科技领域的应用 激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上
可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻击 目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激 光系统；辅助的控制和通信系统。
激光摧毁导弹
15
激光制导
激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武器， 是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一 个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外科手术式 杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和破坏敌方信 息系统，使其成为新一代主战兵器。
16
6. 激光在科学技术前沿问题中的应用 ➢ 光谱分析是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光 谱学相结合形成的激光光谱学，具有频率、空间和时间上的 高分辩率，可以进一步揭示物质的微观结构。 ➢ 激光诱导的惯性约束核聚变是产生可控核聚变的一种途径。 ➢ 激光束照亮了超微世界，它呈现的超快或超窄脉冲（时间 域）帮助人们了解微观世界中的原子、分子结构。 ➢ 激光可以作为光学镊子应用于分子生物学领域中对微生物、 染色体、细胞等微粒的操作。 ➢ 激光化学也是激光的重要应用领域。
激光原理第一讲ppt课件
29
球面波
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
➢球面简谐波方程：
U
U0 r
cost
cr
➢球面波的复数表示法：
U U0 eitkr r
编辑版pppt
30
光子
➢ 在真空中一个光子的能量 h
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
➢
光子具有的运动质量
mc2
hc2 hmc2
➢ 光子的动量
h h h2 p h P m c n 0cn 0 ln 02 pln 02 pk
Schawlow
编辑版pppt
16
激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器； 他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
编辑版pppt
Maiman
发射 hE2E1
吸收 hE1E2
E2: 高能 ， E1级 : 低能级
编辑版pppt
42
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33
原子的能级
物质是由原子、分子或离子组成，而原子由带正电的原子 核及绕核运动的电子组成； 电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。
-e
+e 原子核
-e 电子 角动量L=r×p
编辑版pppt
34
原子的能级
原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：
➢主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能 量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;
激光原理课件
吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
（自发辐射）
h E1 E2
3. 受激辐射：
激光原理 . 第一章
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达 到热平衡，还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
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。
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
热平衡状态：
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
：
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论：
激光原理 . 第一章
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。
激光原理及应用PPT课件
激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质 （如晶体、玻璃等）中的 粒子，实现粒子数反转并 产生激光。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念
激光原理课件1.1
(1-18)
h h= 2π
2π k = n0 λ
k—— 平面波的波矢，它表示2π长度内含有的“完整”波 的数目 ④. 一定种类的光子,具有一定的偏振状态.(同一状态的 光子具有相同的偏振状态。） ⑤. 光子具有自旋,故光子是“玻色”子。（即处于）相同 状态的光子数目是无限制的。
式(1-17)和式（1-18）把表征粒子性的能量 ε 和动量 P 与表征波动性的 频率ν 和波长 λ 联系起来了，体现了光的波粒二象性的内在联系。 当光与物质交换能量时，光子只能整个的被原子吸收或发射。 光的频率越高，光子的能量越大。
hν p= c
波动性和粒子性是光的客观属性，同时存在； 波动性和粒子性是光的客观属性，同时存在； 光是电磁波，具有波动性质，有一定得频率和波长； 光是电磁波，具有波动性质，有一定得频率和波长； 光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子； 光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子； 一定条件下，波动性较明显， 一定条件下，波动性较明显，把光看作一列一列的光 波组成的； 波组成的； 光的吸收、发射、光电效应等过程，粒子性较为明显， 光的吸收、发射、光电效应等过程，粒子性较为明显， 把光看作是有一个一个光子组成的光子流； 把光看作是有一个一个光子组成的光子流；
第一章
辐射理论基础概要 与激光产生的条件
回顾： 回顾：
激光光源与普通光源的区别？ 激光光源与普通光源的区别？ 激光的特点？ 激光的特点？
研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光 研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光 器内产生并占据主导地位而抑制自发辐射的。 器内产生并占据主导地位而抑制自发辐射的。 本章首先从介绍光的波粒二象性开始研究光的辐射原理； 本章首先从介绍光的波粒二象性开始研究光的辐射原理； 接着讨论与激光的发明和技术发展有关的物理基础；最后 接着讨论与激光的发明和技术发展有关的物理基础； 分析产生激光的条件。 分析产生激光的条件。
《激光原理》PPT课件
2024/1/28
28
前沿动态及发展趋势预测
超快激光技术
实现飞秒、皮秒级超短脉冲输出，用 于精密加工、生物医学等领域。
高功率激光技术
发展高能量、高效率的激光器，应用 于国防、能源等领域。
2024/1/28
激光显示技术
利用激光作为光源的显示技术，具有 色域广、亮度高等优点，是未来显示 技术的重要发展方向。
概述光纤激光器的工作原理、 优势及在通信、传感等领域的 应用前景。
其他典型固体激光器
简要介绍其他类型的固体激光 器，如半导体激光器、拉曼激
光器等。
10
03
气体激光器原理与技术
2024/1/28
11
气体放电过程及发光机制
01
02
03
气体放电基本概念
电子与气体原子或分子碰 撞，引发电离和激发过程 ，产生带电粒子和光子。
液体染料激光器技术特点பைடு நூலகம்
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
16
半导体材料发光机制及器件结构
2024/1/28
利用半导体材料的特性实现受激辐射，具有 体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用 于通信、显示等领域。
2024/1/28
6
02
固体激光器原理与技术
2024/1/28
7
固体激光材料及其发光机制
2024/1/28
固体激光材料种类与特性
01
包括晶体、玻璃、陶瓷等，具有不同的发光特性和应用场景。
《激光产生的原理》课件
激光物理
利用激光的特点和研究光与 物质相互作用规律的一门学 科，具有深入揭示特点进行化学反应的引 发和调控，具有高效、环保 、可控性强等特点。
激光生物学
利用激光的特点和研究生物 体系结构和功能的学科，具 有深入揭示生命现象和本质 的特点。
激光的色纯度受到光学元件的 限制，难以达到完美的单色性 。
激光的相干性会导致其光束发 散角较小，传输距离有限。
未来展望
随着科技的不断发展，未来有望通过新材料、新技术的研发，提高激光的输出功率 和单色性。
探索新型的激光产生机制，如超快激光、量子级联激光等，将为科技发展带来新的 突破。
结合其他技术领域，如人工智能、物联网等，实现激光技术的智能化和网络化，拓 展其在各行业的应用前景。
《激光产生的原理》 ppt课件
目录
CONTENTS
• 激光简介 • 激光产生的原理 • 激光的应用 • 激光的未来发展 • 总结
01
激光简介
激光的定义
01
激光定义：激光是由原子或分子 等物质在受到外部能量激发后， 自发辐射产生的相干光。
02
激光的产生需要满足三个基本条 件：工作物质、激励能源和光学 谐振腔。
高亮度
由于光的相干性，激光可以形 成高亮度的平行光束。
03
激光的应用
工业领域
激光切割
激光焊接
利用高能激光束对材料进行精确切割，具 有高效、精准、环保等优点。
通过激光束的高能量实现金属或非金属材 料的连接，具有焊接强度高、变形小、精 度高等特点。
激光打标
激光清洗
利用激光的高能量密度在各种材料表面进 行标记和刻蚀，具有标记清晰、耐久性好 、适用范围广等优点。
激光美容
《激光原理》课件-2024鲜版
利用非线性光学效应，如二次谐波产 生（SHG）和光参量振荡（OPO）， 可以实现激光频率的转换，从而获得 不同波长的激光输出。
光束整形
光开关和光限幅
利用非线性光学材料的特性，可以制 作光开关和光限幅器，用于控制激光 的传输和输出。
通过非线性光学过程，可以对激光光 束进行整形，如光束聚焦、光束分裂 和光束合成等。
量子级联激光器性能特点
低阈值电流、高光增益、宽波长调谐范围、高输出功率等。
2024/3/27
应用领域
光纤通信、光存储、光显示、激光雷达、医疗诊断与治疗、科研与军事等。其中，光纤通信是半导体激光器 和量子级联激光器最主要的应用领域之一。在光纤通信中，它们被用作光源，将电信号转换为光信号进行传 输。
24
2024/3/27
准分子激光器
准分子激光器以稀有气体卤化物为工作物质，其输出波长在紫外波段。准分子激光器具有脉 冲能量大、重复频率高等优点，被广泛应用于科研和医疗等领域。
14
04
液体激光器与光纤激光器
2024/3/27
15
液体激光器结构及工作原理
2024/3/27
结构组成
液体激光器主要由激光工作物质 （如染料溶液）、泵浦源、光学谐 振腔等部分组成。
2024/3/27
性能特点
气体激光器具有输出功率大、光束质量好、效率高、寿命长等优点。同时，它们还 具有较宽的波长调谐范围和较高的重复频率。
应用领域
气体激光器在科研、工业、医疗等领域有着广泛的应用。例如，CO2激光器可用于 切割、焊接和打孔等工业加工过程；He-Ne激光器则常用于精密测量和光学实验等 领域。
量子级联激光器利用量子阱结构中的量子限 制效应，使得电子和空穴在量子阱内复合并 释放出能量。通过串联多个量子阱结构，可 以实现更高的光增益和更低的阈值电流，从 而提高激光器的性能。
光束整形
光开关和光限幅
利用非线性光学材料的特性，可以制 作光开关和光限幅器，用于控制激光 的传输和输出。
通过非线性光学过程，可以对激光光 束进行整形，如光束聚焦、光束分裂 和光束合成等。
量子级联激光器性能特点
低阈值电流、高光增益、宽波长调谐范围、高输出功率等。
2024/3/27
应用领域
光纤通信、光存储、光显示、激光雷达、医疗诊断与治疗、科研与军事等。其中，光纤通信是半导体激光器 和量子级联激光器最主要的应用领域之一。在光纤通信中，它们被用作光源，将电信号转换为光信号进行传 输。
24
2024/3/27
准分子激光器
准分子激光器以稀有气体卤化物为工作物质，其输出波长在紫外波段。准分子激光器具有脉 冲能量大、重复频率高等优点，被广泛应用于科研和医疗等领域。
14
04
液体激光器与光纤激光器
2024/3/27
15
液体激光器结构及工作原理
2024/3/27
结构组成
液体激光器主要由激光工作物质 （如染料溶液）、泵浦源、光学谐 振腔等部分组成。
2024/3/27
性能特点
气体激光器具有输出功率大、光束质量好、效率高、寿命长等优点。同时，它们还 具有较宽的波长调谐范围和较高的重复频率。
应用领域
气体激光器在科研、工业、医疗等领域有着广泛的应用。例如，CO2激光器可用于 切割、焊接和打孔等工业加工过程；He-Ne激光器则常用于精密测量和光学实验等 领域。
量子级联激光器利用量子阱结构中的量子限 制效应，使得电子和空穴在量子阱内复合并 释放出能量。通过串联多个量子阱结构，可 以实现更高的光增益和更低的阈值电流，从 而提高激光器的性能。
《激光原理》课件
激光原理
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激光概论
01.
What ?
单击此处添加正文
03.
How ?
单击此处添加正文
02.
Why ?
单击此处添加正文
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What is Laser?
1917年，爱因斯坦预言受激辐射； 40年后,1957年是一个不平常的年份； 苏联发射世界上第一颗人造地球卫星； 我国爆发了全国范围的反右派运动； 贝尔实验室附近的一个餐馆里，两个人在吃饭 一个是哥伦比亚大学教授，贝尔实验室顾问汤斯(C.Townes)，微波受激辐射放大名人 另一个是贝尔实验室博士后肖洛(A.Schawlow) 探讨如何实现光波段的受激辐射放大
试样通常是 微电子器件。
激光-原子力显微镜 （AFM）
激光器
分束器
布喇格室
棱镜
检测器
反馈机构
接计算机
微芯片
压电换能器
压电控制装置
添加标题
方向性好
01
添加标题
单色性好
02
添加标题
高功率
03
添加标题
相干性好
04
添加标题
Why is Laser so useful?
05
特点：
添加标题
方向性极好（发散角～10 -4弧度）
Why should I study Laser?
激光在能源、环境中的应用 探求无穷的绿色能源——激光核聚变 连接 激光大气检测 3激光引雷、激光驱雾 激光在土木、建筑中的应用 激光表面处理及剥离 激光切断及解体 激光挖掘
Why should I study Laser?
单击此处添加副标题
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激光概论
01.
What ?
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03.
How ?
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02.
Why ?
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What is Laser?
1917年，爱因斯坦预言受激辐射； 40年后,1957年是一个不平常的年份； 苏联发射世界上第一颗人造地球卫星； 我国爆发了全国范围的反右派运动； 贝尔实验室附近的一个餐馆里，两个人在吃饭 一个是哥伦比亚大学教授，贝尔实验室顾问汤斯(C.Townes)，微波受激辐射放大名人 另一个是贝尔实验室博士后肖洛(A.Schawlow) 探讨如何实现光波段的受激辐射放大
试样通常是 微电子器件。
激光-原子力显微镜 （AFM）
激光器
分束器
布喇格室
棱镜
检测器
反馈机构
接计算机
微芯片
压电换能器
压电控制装置
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方向性好
01
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单色性好
02
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高功率
03
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相干性好
04
添加标题
Why is Laser so useful?
05
特点：
添加标题
方向性极好（发散角～10 -4弧度）
Why should I study Laser?
激光在能源、环境中的应用 探求无穷的绿色能源——激光核聚变 连接 激光大气检测 3激光引雷、激光驱雾 激光在土木、建筑中的应用 激光表面处理及剥离 激光切断及解体 激光挖掘
Why should I study Laser?
激光原理与应用课件
9
1 ．3 激光工作物质的能级结构
一、三能级系统
激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能 级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚
至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。
在He、Ne、CO2 、N2等物质中都有这种能级结 构
10
物质三能级系统的示意图
抽运
快 E3
E2 (亚稳态)
n 受激辐射出的光子，与入射光子具有相
同的频率，相同的初相，相同的传播方
向，相同的偏振态等。
E2
hv
E1
hv
E2
hhvv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
E1
hv
受激辐射示意图
受激辐射光放大示意图
6
1 ．2 粒子数反转
n 处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分 子数，服从玻尔兹曼分布，
n 高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的 分子数之比为：
34
3．4 激光在几何参数测量方面的应用
一、激光测距技术
1、激光脉冲计数方法
2、相位测距法
B
X A
He-Ne激 光
45°
二、利用激光技术和几M何学d原理可以对板N参材考平面
的厚度进行测量
激光测厚原理示意图
35
3.5 激光条码检测技术
n 条码技术是通过一定形状和间隔的条纹 组合来表达计算机“0” 、“1”语言的一种方 法。
慢
E1 (基态)
n 应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过 程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统 仅有这三条能级。
11
二、四能级系统
抽运
快 E4
E3 (亚稳态)
1 ．3 激光工作物质的能级结构
一、三能级系统
激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能 级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚
至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。
在He、Ne、CO2 、N2等物质中都有这种能级结 构
10
物质三能级系统的示意图
抽运
快 E3
E2 (亚稳态)
n 受激辐射出的光子，与入射光子具有相
同的频率，相同的初相，相同的传播方
向，相同的偏振态等。
E2
hv
E1
hv
E2
hhvv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
E1
hv
受激辐射示意图
受激辐射光放大示意图
6
1 ．2 粒子数反转
n 处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分 子数，服从玻尔兹曼分布，
n 高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的 分子数之比为：
34
3．4 激光在几何参数测量方面的应用
一、激光测距技术
1、激光脉冲计数方法
2、相位测距法
B
X A
He-Ne激 光
45°
二、利用激光技术和几M何学d原理可以对板N参材考平面
的厚度进行测量
激光测厚原理示意图
35
3.5 激光条码检测技术
n 条码技术是通过一定形状和间隔的条纹 组合来表达计算机“0” 、“1”语言的一种方 法。
慢
E1 (基态)
n 应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过 程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统 仅有这三条能级。
11
二、四能级系统
抽运
快 E4
E3 (亚稳态)
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Dy
n
kz
ky
Dz
q
在频率d区间存在的模式数
4 2 8 2 P 2 3 Vd 3 Vd c c
kx
波矢空间
三. 光子状态 （微粒观点）
经典质点的运动状态由坐标 (x,y,z) 动量 (Px,Py,Pz) 组成的六 维相空间描述 光子的位置与动量不能同时精确确定, 受测不准关系的制约 一维运动情况下的测不准关系
4.光子具有两种独立的偏振状态 5.光子具有自旋.
光的本质是波粒二象性.因此,描写光的
运动有两种方式,一种是从波动的光点 出发(光波模式),另一种是从光子的观 点出发(光子状态)
二、光波模式(mode)
单色平面光波
i 2 t ikr E r , t E0e
)内的模式数?
kx
满足驻波条件:
Dx m
Dx Dz Dy
由 k 2 有
Dx
m
Dy n Dz q
2
2
ky
Dy
n
V DxDyDz2Biblioteka kz Dz
q
每一组正数m,n,q对应腔内一种模式（两个偏振 态）
一个模式在波矢空间所占体积
在波矢空间内
k k d k
3 3 Dk x Dk y Dk z V DxDyDz
2 1 区间内的体积为 4 k d k 8
2 1 4 k d k 8 3 V 2 k d kV 22
在此体积中的模式数
kx
Dx
m
kz
k
0
ky
2
2
DxLx R
2
物理意义：若要求传播方向限于D 之内的光波是相干的， 光源的面积必须小于 D 所以， D 就是光源的相干面积。
光源的相干体积为
c3 c Vcs 2 2 D D D (D )
Lc c c
相干面积 (Ac)--同一时刻发出光波(波阵面)的相干性--空间 相干性
1、波动观点
普通光源发光，是大量独立振子的自发辐射。每个振子 发出的光波是由持续一段时间 Dt 或在空间占有限长度 1 的波列所组成。对波列进行频谱分析，得到其频带宽度 D Dt
D
1 Dt
Dpx 2Dk x
Dpy 2Dky
Dpz 2Dkz
Dk x Dk y Dk z DxDyDz
3
Dx Dz Dy
Dpx Dpy Dpz 83 Dk x Dk y Dkz
DxDyDzDpx Dpy Dpz h3
一个光波模式在相空间也占有一个相格
四、同态光子(同模光波)的相干性
LC
D
物理光学证明： Dt 1 c
光源的单色性越好，则相干时间 c 越长 所以，光波的相干长度就是光波的波列长度
Lc c Dt c D
Dx
A
S1
P
D
R
DPz
z S2
Lx
对于线度为 Dx 的光 源A，照明S1和S2两点的 光波场，具有明显的空间 相干性的条件为：
(Dx)2 D
k 2
对于自由空间，单色波都存在， K是任意的；对于有界空间，特定K存在。
Dx Dz Dy
在有边界限制的空间V内只有某些特定的波矢 的单色平面波才能形成驻波－电磁波的模式
V DxDyDz
•一种模式是电磁波运动的一种类型，不同的模 式以不同的k区分
求解空腔V
(
V DxDyDz
第一章 激光基本原理
§1.1相干性的光子描述
一、光子的基本性质 光是以光速运动的光子流，光子的粒子属性和波动 属性密切联系： h 1.能量与频率的关系 h m 2 2 2.光子具有运动的质量 c c 3.动量与波矢 h h 2
p mcn 0
c
n0
2
k
x y z
c
c
c3
h3 c3 DxDyDz 2 Vcs 2 Dpx Dpy Dpz D (D )
R
S2
结论：1、相格空间体积以及一个光波模式光子态占有空间体积 等于相干体积；2、属于同一状态的光子或同一模式的光波是相 干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的
• 相干性的两个重要结论
理解相干性概念，在此基础上把光子态和光子的相干性 联系起来。 光子的相干性可理解为：在不同的空间点，在不同的时刻， 光波场的某些特性的相关性。 相干性可分为：时间相干性和空间相干性
相干体积 ( Vc Ac Lc Ac c c )-- Vc大相干性好, 光子具有相 干性的粗略描述 相干长度 ( Lc )--不同时刻发出光波的相干性--时间相干性
DxDyDz 相格空间体积 光波模(光子态)占有的体积 = 相干体积
同态光子相干同模光波相干 不同态光子或不同模式光波不相干
五、光子简并度
什么是光子简并度？ 相干光强决定于 具有相干性的光子的数目活同态光子的数目 光子简并度是指处于同一光子态的光子数，用
2
距离光源R处的相干面积为： Ac Lx 2
R Dx
2
5 2粒子观点
用微粒观点来说明同态光子的相干问题
命题: 如果光子在空间所占体积 < 相干体积 光子具有相干性 发光面积(Dx)2光源发出的光子, 在立体角D 内具有动量测不准量 D h Dpx Dpy 2 p sin D 2 c S1 h Dx Dpz D p D P c DPz A 2 2 D Lx h3 2 D h 2 h z Dp Dp Dp D D
DxDpx h
DxDyDzDpx Dpy Dpz h3 三维运动情况下的测不准关系
相空间体积元－相格 在相空间体积元中的光子属同态光子, 即相格中光子不可区分
一个相格所占的空间坐标体积
DxDyDz h Dpx Dpy Dpz
3
光子状态与光波模式的等效性
将光波模式波矢空间体积元表达式改为相空间中的形式, 即证明一个光波模式在相空间所占体积为 h3 单色平面光波在驻波腔中 对应两群光子, 在相空间