第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件.ppt

第二节 光波模式和光子状态,光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播。如下图所示。习惯上常把电矢量叫做光矢量,图（1-1）电磁波的传播,1、光波：,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,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,单色平面波表示为：,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,镜面有位相突变,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,2.空腔内的光波模式数,举例,计算 空腔内的模式数,二、光子状态,1.光子的基本特性,式中h是普朗克常数，h=6.62610-34JS,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,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。,在三维运动情况下，测不准关系：,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,3.光子状态数,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,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。,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。,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,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常大,输出功率为1mW，103Hz的He-Ne激光器光子简并度可达1011,激光是一种具有很高光子简并度的光,五、光子的相干性,讨论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,此光束内的光子具有动量测不准量，因为很小其各分量为,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。,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,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,关于相干性的结论：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,