光电子技术激光产生的物理基础资料.pptx
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1、光电子技术Photoelectronic TechniquePhotoelectronic Technique第三第三第三第三 讲讲讲讲 激光产生的物理基础激光产生的物理基础激光产生的物理基础激光产生的物理基础周自刚周自刚周自刚周自刚 本讲主要内容本讲主要内容42一、光子的基本性质一、光子的基本性质二、光子的相干性二、光子的相干性三、光子简并度三、光子简并度四、光的受激辐射基本概念四、光的受激辐射基本概念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(一)光既是粒子又是波,具有波粒二象性!
2、(一)光既是粒子又是波,具有波粒二象性!41一、光子的基本性质一、光子的基本性质(一)光既是粒子又是波,具有波粒二象性!(一)光既是粒子又是波,具有波粒二象性!1 1、光子的能量:、光子的能量:2 2、光子的质量:、光子的质量:3 3、光子的动量:、光子的动量:英国布里斯托尔大学量子光学中心的科学家们成功制造出了这种光子(硅)芯片。他们让两个完全相同的光粒子(光子)通过一个硅芯片上的电路网络,实现了被称为量子漫步(QuantumWalk)的物理过程。40一、光子的基本性质一、光子的基本性质4 4、光子有两个独立的偏振态。、光子有两个独立的偏振态。5 5、光子有自旋,且自旋量子数为整数,、光子有
3、自旋,且自旋量子数为整数,大量光子的集合服从玻色大量光子的集合服从玻色爱因斯坦分布。爱因斯坦分布。(一)光既是粒子又是波,具有波粒二象性!(一)光既是粒子又是波,具有波粒二象性!39处于处于同一状态的光子数目是没有限制同一状态的光子数目是没有限制的的一、光子的基本性质一、光子的基本性质(二二)光波模式和光子状态光波模式和光子状态1 光波模式 广义定义:能代表光波场本征振动状态的场分布。一种光波模式代表具有一定频率、一定偏振方向、一定传播方向和一定寿命的光波。狭义定义:能够存在于腔内的驻波狭义定义:能够存在于腔内的驻波38一、光子的基本性质一、光子的基本性质波矢:波矢:波的传播方向:波的传播方向
4、一个波矢对应两个光波模式一个波矢对应两个光波模式1 光波模式(用波动观点求光波模式数)37一、光子的基本性质一、光子的基本性质例如:单色平面波单色平面波表示为:1 光波模式36一、光子的基本性质一、光子的基本性质(1)空腔内的光波模式数设空腔为V=x y z的立方体则波矢 的三个分量应满足条件每组正整数m、n、q对应腔内的一种模式35一、光子的基本性质一、光子的基本性质不同的光波模式以不同的波矢来区分同一波矢对应着两个具有不同偏振方向的模(2)光波模式特点34一、光子的基本性质一、光子的基本性质(3)光波模式表征 以kx、ky、kz为轴建立坐标系,形成波矢空间,则每个模对应波矢空间的一个点,相
5、邻模式的间隔为所以,每个模式在波矢空间占有一个体积元:33一、光子的基本性质一、光子的基本性质在波矢空间,的绝对值处于 的体积是1/8个球壳:所以,在此体积内的模式数为:(3)光波模式表征32一、光子的基本性质一、光子的基本性质如果以频率表示:所以,区间内的模式数为(3)光波模式表征31一、光子的基本性质一、光子的基本性质2 光子态质点:由坐标 和动量 确定其运动状态相空间:由x,y,z,Px,Py,Pz构成的六维空间(1)相空间30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。一、光子的基本性质一、光子的基本性质2 光子态(2)测不准关系29 光子的运动状态受量子力
6、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,位置测得越准确,动量就越测不准。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1:同一相格中的光子运动状态无法区分,它们属于同一光子态。同一相格中的光子运动状态无法区分,它们属于同一光子态。一、光子的基本性质一、光子的基本性质2 光子态(2)测不准关系28结论结论2:一个光波模式一个光波模式 一个光子态。一个光子态。一、光子的基本性质一、光子的基本性质(3)相空间体积在六维相空间,一个光子态所占的体积元为:一个光子态对应的相空间体积元称为相格一个光子态所占的坐标空间体
7、积为:27 相格是相空间中用任何实相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。验所能分辨的最小尺度。光光子的某一运动状态只能定域子的某一运动状态只能定域在一个相格中在一个相格中,但不能确定,但不能确定它在相格内部的对应位置。它在相格内部的对应位置。一、光子的基本性质一、光子的基本性质2 光子态一个光波模式在相空间所占的体积等于一个相格?3 光波模式和光子状态的关系 一个光波模可以看成是由两列沿相反方向传播的行波组成的驻波。因此,其动量为:26一、光子的基本性质一、光子的基本性质一个光波模在相空间的三个动量轴上所占的线度为一个光波模所对应相空间体积元为3 光波模式和光子态的关系25一、光子的基本
8、性质一、光子的基本性质结论:结论:(1)光波模和光子状态是等价的)光波模和光子状态是等价的(2)一个光波模里的光子具有相同的光子状态)一个光波模里的光子具有相同的光子状态(3)不同光波模式代表可以区分的光子状态)不同光波模式代表可以区分的光子状态3 光波模式和光子态的关系24一、光子的基本性质一、光子的基本性质1 时间相干性时间相干性的等效物理量:时间相干性的等效物理量:相干时间:相干时间:相干长度:相干长度:谱线宽度:谱线宽度:二、光子的相干性二、光子的相干性23 波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的光的
9、间断性间断性。22单色性越好,相干性就越好单色性越好,相干性就越好相干时间: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。二、光子的相干性二、光子的相干性2 空间相干性21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:空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性 波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同
10、原子发光的源中不同原子发光的独立性独立性。二、光子的相干性二、光子的相干性3 相干体积满足什么条件的光子是相干的满足什么条件的光子是相干的证明一个光子态所占的空间体积等于相干体积证明一个光子态所占的空间体积等于相干体积研究一个光子态内的光子是否相干研究一个光子态内的光子是否相干设一个相干体积由线度为L的相干面积和相干长度Lc构成20二、光子的相干性二、光子的相干性 根据冯希德希尼克定理:相干体积内的光束都必须落在顶角为 的圆锥体内。此光束内的光子具有动量测不准量,因为很小其各分量为19二、光子的相干性二、光子的相干性3 相干体积若这些光子处于同一相格内,则光子占有的相干空间体积为:18若光子属
11、于同一光子态,则若光子属于同一光子态,则其应包含在相干体积之内其应包含在相干体积之内属于同一光子态的光属于同一光子态的光子是相干的子是相干的二、光子的相干性二、光子的相干性3 相干体积结论:结论:17(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)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的光子或不同模式的光波是不相干的1)相格的空间体积以及一个光波模或光子态占有的空间体积都)相格的空间体积以及一个光波模或光子态占有的空间体积都等于相干体积等于相干体积相格空间体积相格空间体积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
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