光电子技术第三讲-激光产生的物理基础资料.ppt

1、,光电子技术 Photoelectronic Technique 第三 讲 激光产生的物理基础 周自刚,本讲主要内容,42,一、光子的基本性质,二、光子的相干性,三、光子简并度,四、光的受激辐射基本概念,光的波粒二象性,微粒说,电磁理论,波动属性：,光波模式,光子理论,粒子属性：,光子态,（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）光既是粒子又是波，具有波粒二象性！,1、光子的能量：,2、光子的质量：,3、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

2、量子漫步（QuantumWalk）的物理过程。,40,一、光子的基本性质,4、光子有两个独立的偏振态。,5、光子有自旋，且自旋量子数为整数， 大量光子的集合服从玻色爱因斯坦分布。,（一）光既是粒子又是波，具有波粒二象性！,39,处于同一状态的光子数目是没有限制的,一、光子的基本性质,(二)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,38,一、光子的基本性质,波矢：,：波的传播方向,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

3、、光子的基本性质,例如：单色平面波表示为：,1 光波模式,36,一、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,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,(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,在波矢空间， 的绝对值处于 的体积是1/8个球壳：,所

4、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,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,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。,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：,相格：同一光子态的光子所占的相空间体积元。,结论1：同一相格中的光子运动状态无法区分，

5、它们属于同一光子态。,一、光子的基本性质,2 光子态,(2)测不准关系,28,结论2：一个光波模式 一个光子态。,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积为：,27,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。,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

6、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、光子的基本性质,结论：,（1）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,（3）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,1 时间相干性,时间相干性的等效物理量：,相干时间：,相干长度：,谱线宽度：,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光的间断性。,22,单色性越好，相干性就越好,相干时间：光沿传播方向通过相干长度 所需的时间。,二、光子的相干性,2 空间

7、相干性,21,相干长度：沿传播方向的相干长度,相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积,相干体积：空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性,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原子发光的独立性。,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,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,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,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,3 相干体积,

8、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,若光子属于同一光子态，则其应包含在相干体积之内,属于同一光子态的光子是相干的,二、光子的相干性,3 相干体积,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等于相干体积,相格空间体积,一个光波模式所占空间体积,同一光子态所占空间体积,相干体积,二、光子的相干性,光波模式驻波腔光波模式,在频率d范围内的光波模式的数目,相空间光子的运动状态,光子态,光波模式光子态,光子处于同一相干态（光子态或光波模式），具有高时间/空间

9、相干性,光子的基本特性,光子态或光波模式所占的体积等于相干体积,16,二、光子的相干性,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。,二、光子的相干性,15,三、 光子简并度,1、对好的相干光源的衡量标准,尽可能高的相干光强，足够大的相干面积，足够长的相干时间（或相干长度）。,普通光源的缺陷：增大相干面积、相干长度与增大相干光强是矛盾的！,激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相干光源。,2、相干光强：是描述光的相干性的参量之一，其大小取决于具有相干性的光子数的数目或同态光子的数目。,14,3、光子

10、简并度：处于同一光子状态的光子数目。用 表示。,5、相干光强与光子简并度的关系：相干光强的大小取决于光子简并度的大小。光子简并度越大，则相干光强越大。反映光源的单色亮度。,4、光子简并度的等效含义,光子简并度 =同态光子数=同一光波模式内的光子数=同一相干体积内的光子数=同一相格内的光子数。,13,三、 光子简并度,四、光的受激辐射基本概念,1 受激吸收,如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较高能态，这种过程就称为受激吸收。,12,受激吸收跃迁几率：,：受激吸收跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关,与原子本身性质和辐射场能量密度有关,没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射

11、一个光子，这种过程叫自发辐射。,2 自发辐射,11,例如：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。,四、光的受激辐射基本概念,10,自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：,原子在能级 的平均寿命,只与原子本身性质有关，与辐射场无关,2 自发辐射,四、光的受激辐射基本概念,若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光子来，这种过程叫做受激辐射。,各个原子受激辐射的光是相干光,3 受激辐射,9,当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下

12、向低能级跃迁而发光。,四、光的受激辐射基本概念,当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程,3 受激辐射,四、光的受激辐射基本概念,8,原子体系热平衡温度为T，在能级En上的原子数为Nn，则,k为玻耳兹曼常数，上面的统计规律称为玻耳兹曼正则分布， g n为主量子数为n 的能级 (能量为E n)简并度,7,4 爱因斯坦三系数的相互关系,四、光的受激辐射基本概念,玻尔兹曼统计分布：,或,热平衡时，处于高能级的原子数总是低于处于低能级 的原子数。即,N1为处于能级E1的原子数，,N2为处于能级E2的原子数,E2E1，则,6,4 爱因斯坦三系数的相互关系,四、光的受激辐射基本概念,由于受激辐射和受激

13、吸收是由于外来光引起的，故单位时间的跃迁几率应与原子周围该频率的辐射能量密度成正比。因此,设dN21为dt时间内由E2自发跃迁到E1能级上的粒子数，则,5,4 爱因斯坦三系数的相互关系,四、光的受激辐射基本概念,在热平衡状态下， 两能级之间，单位时间受激吸收的光子数应等于受激发射和自发发射的光子数,得到,4,由普朗克公式:,4 爱因斯坦三系数的相互关系,四、光的受激辐射基本概念,3,即,上面两关系式叫做爱因斯坦关系式，虽然是在热平衡条件下推出的，但它对普遍情况仍是适用的。,是单位时间粒子由E1能级跃迁到 E2能级上的几率,是单位时间粒子由E2能级跃迁到E1能级上的几率。,4 爱因斯坦三系数的相互关系,四、光的受激辐射基本概念,结论：,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。,4.自发辐射：相互独立、互不相关。,5.受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的特征（频率、相位