激光的物理基础光波模式和光子状态

激光的物理基础光波模式和光子状态第1页，共26页，2023年，2月20日，星期日2、光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系在真空中

各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同

第2页，共26页，2023年，2月20日，星期日狭义定义：能够存在于腔内的驻波称为光波模式1.定义：广义定义：能代表光波场振动状态的场分布称为光波模式，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一、光波模式：仅波腹上、下振动，波节不移动第3页，共26页，2023年，2月20日，星期日单色平面波表示为：第4页，共26页，2023年，2月20日，星期日问题：在有边界条件限制的空间，的取值是否连续纵模标记，取正整数镜面有π位相突变第5页，共26页，2023年，2月20日，星期日不同的光波模式以不同的波矢来区分结论同一波矢对应着两个具有不同偏振方向的模第6页，共26页，2023年，2月20日，星期日2.空腔内的光波模式数第7页，共26页，2023年，2月20日，星期日第8页，共26页，2023年，2月20日，星期日第9页，共26页，2023年，2月20日，星期日第10页，共26页，2023年，2月20日，星期日举例计算空腔内的模式数第11页，共26页，2023年，2月20日，星期日二、光子状态1.光子的基本特性式中h是普朗克常数，h=6.626×10-34J•S第12页，共26页，2023年，2月20日，星期日第13页，共26页，2023年，2月20日，星期日2.光子的状态区分光子状态：指光子的运动状态质点的一个运动状态由相空间内的一点表示第14页，共26页，2023年，2月20日，星期日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。对于一维运动情况意味着处于二维相空间面积元之内的粒子运动状态在物理上是不可区分的，它们应属于同一种状态。第15页，共26页，2023年，2月20日，星期日在三维运动情况下，测不准关系：第16页，共26页，2023年，2月20日，星期日相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。光子的某一运动状态只能定域在一个相格中，但不能确定它在相格内部的对应位置。或者说，光子的状态并不对应于相空间的点，而是对应于相空间中体积为h3的相格。一个相格所占有的坐标空间体积（或称相格空间体积），或者说第17页，共26页，2023年，2月20日，星期日3.光子状态数第18页，共26页，2023年，2月20日，星期日第19页，共26页，2023年，2月20日，星期日三、光波模式和光子状态的关系证明：一个光波模式在相空间所占的体积等于一个相格第20页，共26页，2023年，2月20日，星期日第21页，共26页，2023年，2月20日，星期日第22页，共26页，2023年，2月20日，星期日结论光波模和光子状态是等价的一个光波模里的光子具有相同的光子状态光波模式代表可以区分的光子状态一个光波模在相空间也占有一个相格。因此，一个光波模等效于一个光子态。第23页，共26页，2023年，2月20日，星期日量子电动力学从理论上把光的电磁（波动）理论和光子（微粒）理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，在理论上阐明了光的波粒二象性。第24页，共26页，2023年，2月20日，星期日四、光子简并度定义：处于同一光子态的光子数称为光子简并度含义：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第25页，共26页，2023年，2月20日，星期日讨论光子简并度高相干性好相干光强大大量光子处于同一光子态普通光源的光子简并度小温度为6000K的黑体，在可见光波段光子简并度为10-3激光的光子简并度非