激光的基本原理优秀PPT.ppt
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1、激光的基本原理你现在浏览的是第一页,共50页一一.光的基本性质光的基本性质粒子属性:粒子属性:能量,动量,质量等能量,动量,质量等波动属性:波动属性:频率、波矢、偏振等频率、波矢、偏振等1.1 相干性的光子描述你现在浏览的是第二页,共50页3)3)光子动量:光子动量:1)1)光子能量光子能量与光波频率与光波频率:其中普朗克常数:其中普朗克常数:2)2)光子运动质量:光子运动质量:光子静止时质量?光子静止时质量?你现在浏览的是第三页,共50页4)4)光的偏振:光的偏振:振动方向对于传播方向的不对称振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,光子具有两种独立偏振态。性叫做偏振,光子具有两种独立偏振态。
2、5)5)光子具有自旋,并且自旋量子数为整数。光子具有自旋,并且自旋量子数为整数。你现在浏览的是第四页,共50页作作为为信信息息载载体体光光比比电电子子更更具具有有优优越越性性你现在浏览的是第五页,共50页量子电动力学观点:量子电动力学观点:任意电磁场可看作一系列任意电磁场可看作一系列单色平面电磁波的本征模式的线性叠加,每个单色平面电磁波的本征模式的线性叠加,每个本征模式本征模式的能量和动量是量子化的,为基元能的能量和动量是量子化的,为基元能量和基元动量的整数倍。量和基元动量的整数倍。具有相同能量和动量的光子彼此间不可区分,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
3、模式内的因而处于同一模式(或状态),每个模式内的光子数目是没有限制的,这是光子与电子的重光子数目是没有限制的,这是光子与电子的重要区别。要区别。光的波粒二象性光的波粒二象性波动说波动说微粒说微粒说电磁理论电磁理论波动属性:波动属性:光波模式光波模式光子理论光子理论粒子属性:粒子属性:光子态光子态你现在浏览的是第六页,共50页二二.光波模式和光子状态(相格)光波模式和光子状态(相格)光波模式:光波模式:在一个有边界条件限制的空间V内,只能存在一系列独立的具有特定波矢 的平面单色驻波,称为电磁波的模式或者光波模。光波:光波:电磁波 横波 单色平面波:单色平面波:麦氏方程的特解 驻波:驻波:两列振幅
4、相等的相干波沿相反方向相互传播而形成的波称为驻波。你现在浏览的是第七页,共50页有限空间有限空间V内:内:存在具有特定波矢的单色平面驻波。存在具有特定波矢的单色平面驻波。m、n、q为正整数为正整数自由空间中:具有任意波矢的单色平面波都可能存在;自由空间中:具有任意波矢的单色平面波都可能存在;你现在浏览的是第八页,共50页每组每组m、n、q对应一种光波模式(含对应一种光波模式(含两个偏振态)两个偏振态)你现在浏览的是第九页,共50页相邻模间隔:相邻模间隔:波矢空间中每个光波模式所占体积:波矢空间中每个光波模式所占体积:第一象限中第一象限中 区间体积:区间体积:此体积内光波模式数:此体积内光波模式
5、数:V体积空腔内,体积空腔内,频率频率 内内 光波模式数:光波模式数:你现在浏览的是第十页,共50页2.光子(状)态光子(状)态:相空间:相空间:空间坐标空间坐标动量动量相空间内一点表示质点的一个运动状态。相空间内一点表示质点的一个运动状态。测不准关系:测不准关系:相格:相格:同一光子态的光子所占的相空间体积元。同一光子态的光子所占的相空间体积元。结论:结论:一个光波模式一个光波模式 一个光子态。一个光子态。可见,一个光波模在相空间也占有一个相格可见,一个光波模在相空间也占有一个相格.因此,因此,一个光波模等效于一个光子态。一个光波模等效于一个光子态。你现在浏览的是第十一页,共50页二、光子的
6、相干性二、光子的相干性相干光波:相干光波:频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。空间相干性空间相干性相干长度:相干长度:沿传播方向的相干长度。沿传播方向的相干长度。相干面积:相干面积:垂直于光传播方向截面上的相干面积。垂直于光传播方向截面上的相干面积。相干体积:相干体积:空间体积空间体积 内各点的光波场都具有明显内各点的光波场都具有明显 的相干性,则的相干性,则 为相干体积。为相干体积。你现在浏览的是第十二页,共50页相干时间:相干时间:光沿传播方向通过相干长度光沿传播方向通过相干长度 所需的时间。所需的时间。你现在浏览的是第十三页,共50
7、页由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积:由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积:两光波场具有明显相干性的条件:两光波场具有明显相干性的条件:光源的相干面积光源的相干面积你现在浏览的是第十四页,共50页光源的相干体积:光源的相干体积:结论:结论:相格的空间体积相格的空间体积 相干体积。相干体积。你现在浏览的是第十五页,共50页相格空间体积相格空间体积结论:结论:处于同一相格中的光子数,处于同一相格中的光子数,三、光子简并度三、光子简并度决定了相干光强,反映光源的单色亮度。决定了相干光强,反映光源的单色亮度。一个光波模式所占空间体积一个光波模式所占空间体积同一光子态所占空间体积同一光子态所占空间体积
8、相干体积相干体积处于同一模式中的光子数,处于同一模式中的光子数,处于相干体积内的光子数,处于相干体积内的光子数,处于同一光子态的光子数。处于同一光子态的光子数。你现在浏览的是第十六页,共50页 光与物质的共振相互作用,特别是这种相互作用中的受激辐射受激辐射过程是激光器的物理基础。本节先给出基本物理概念。19001900年普朗克年普朗克(Max P lanck)(Max P lanck)用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律;19131913年波尔年波尔(Niele Bohr)(Niele Bohr)提出原子中电子运动状态量子化假设;19171917年爱因斯坦年爱因斯坦从光量子概念出发,重
9、新推导了黑体辐射的普朗克公式,首先提出受激辐射概念;四十年后,受激辐射念在激光技术中得到了应用。1.2光的受激辐射基本概念1.2 光光的的受受激激辐辐射射基基本本概概念念你现在浏览的是第十七页,共50页一一.黑体辐射的普朗克公式黑体辐射的普朗克公式绝对黑体:绝对黑体:如果某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射,则称此物体为绝对黑体绝对黑体,简称黑体黑体。热辐射(温度辐射):热辐射(温度辐射):物体除吸收电磁辐射外,还会发出电磁辐射,这种电磁辐射称为热辐射或温度辐射热辐射或温度辐射。黑体辐射(平衡辐射):黑体辐射(平衡辐射):如果黑体处于某一温度T的热平衡情况下,则它所吸收的辐射能量应等于发出的
10、辐射能量,即黑体与辐射场之间应处于能量(热)平衡状态。这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射黑体辐射或平衡辐射。1.2 光光的的受受激激辐辐射射基基本本概概念念你现在浏览的是第十八页,共50页单色能量密度单色能量密度:在单位体积内,频率处于在单位体积内,频率处于v附近的单位频附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量,单位为率间隔中的电磁辐射能量,单位为J.m-3.s 在温度T的热平衡情况下,黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量为:你现在浏览的是第十九页,共50页 腔内单位体积内,频率处于 附近,单位频率间隔内光波模式数nv为:黑体辐射普朗克公式为:单色能单色能
11、量密度量密度1.2 光光的的受受激激辐辐射射基基本本概概念念你现在浏览的是第二十页,共50页二二.受激辐射和自发辐射概念受激辐射和自发辐射概念 黑体辐射,实质上是辐射场 和构成黑体的物质原子相互作用的结果。为简化问题,我们只考虑原子的两个能级E2和E1并有单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示,你现在浏览的是第二十一页,共50页1.1.自发辐射自发辐射 处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁,并发射一个能量为 的光子。这种过程称为自发跃迁自发跃迁。1.2 光光的的受受激激辐辐射射基基本本概概念念你现在浏览的是第二十二页,共50页 自发跃迁过程用自发跃迁几率自发跃迁几率A A21描述
12、。A A21定义为:定义为:单位时间内n2个高能态原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值:注意:自发跃迁是一种只与原于本身性质有关而与辐射场 无关的自发过程。因此A21只决定于原子本身的性质。由上式可求得:1.2 光光的的受受激激辐辐射射基基本本概概念念则易看出A21就是原子在能级E2的平均寿命s2的倒数。你现在浏览的是第二十三页,共50页 处于低能态E1的一个原于在频率为v的辐射场作用(激励)下,吸收一个能量为 的光子,并向E2能态跃迁,这种过程称为受激吸受激吸收跃迁收跃迁,并用受激跃迁几率受激跃迁几率W W1212描述:注意:受激跃迁和自发跃迁是本质不同的物理过程,反映在跃迁几率上就是A2
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