激光基本原理PPT课件.ppt
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1、1 1、光子的基本性质、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、能量:、能量:2chmh2 2、质量:、质量:3 3、动量:、动量:0nchk2hP 光子光子,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子(,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子(传递基本相互作用的媒介粒子,自旋都为整数)。原。原始称呼是光量子(始称呼是光量子(light quantum),电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为,电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为。4 4、两个独立的、两个独立的偏振态偏振态1 1、光子的基本性质、光子的
2、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!5 5、有自旋,量子数为整数,大量光子的集合服从、有自旋,量子数为整数,大量光子的集合服从玻色玻色爱因斯坦爱因斯坦分布分布对单光子自旋和轨道角动量的量对单光子自旋和轨道角动量的量子隐形传态过程的图片展示子隐形传态过程的图片展示 中国科学技术大学潘建伟研究小组在国际上首次成中国科学技术大学潘建伟研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。功实现多自由度量子体系的隐形传态。2 2月月2626日,国际日,国际权威学术期刊权威学术期刊自然自然杂志以封面标题的形式发表了这杂志以封面标题的形式发表了这一最新研究
3、成果。一最新研究成果。1/KTiiiegn二、光的粒子性和波动性的统一:量子电动力学的理论,将电磁场量子化二、光的粒子性和波动性的统一:量子电动力学的理论,将电磁场量子化1、电磁场的本征模式:具有基元能量、电磁场的本征模式:具有基元能量 和基元动量和基元动量 的物质单元即的物质单元即属同一本征模式的光子属同一本征模式的光子lkhlh2、具有相同、具有相同动量动量和相同和相同能量能量的光子彼此不可区分,属同一模式(状态)的光子彼此不可区分,属同一模式(状态)3、处于同一、处于同一模式模式或或状态状态的腔内光子数目是没有限制的的腔内光子数目是没有限制的4、任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本征模
4、式的、任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本征模式的线性叠加线性叠加三、光波模式三、光波模式波动性波动性1、麦氏方程的解、麦氏方程的解特解特解:单色平面波:单色平面波通解通解:一系列单色平面波的叠加:一系列单色平面波的叠加2、自由空间中的电磁波、自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可以存在任意波矢的平面波均可以存在!3、受边界条件限制空间的电磁波:一系列独立的具有特定波矢、受边界条件限制空间的电磁波:一系列独立的具有特定波矢 的平的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在!面单色驻波。即只允许驻波光模式存在!k4、光波模式:能存在于腔内的以波矢、光波模式:能存在于腔内的以波矢 为标志的电磁波模式
5、。同一为标志的电磁波模式。同一 又由又由于对应两个独立的偏振态,则同一波矢于对应两个独立的偏振态,则同一波矢 对应两个不同偏振方向的光波模对应两个不同偏振方向的光波模式。式。kkk5、体积为、体积为V 的空腔中的光波模式数的空腔中的光波模式数(1)设:)设:zyxV在在x、y、z三方向应用驻波条件得:三方向应用驻波条件得:2mx 2ny 2qz xm2yn2zq2又因为:又因为:2k则则 的三个分量满足:的三个分量满足:kxmkxynkyzqkz(2)光波模式的波矢空间表示)光波模式的波矢空间表示波矢空间:以波矢空间:以kx、ky、kz为直角坐标系构成的空间为直角坐标系构成的空间每一个光波模式
6、对应该空间的一个点每一个光波模式对应该空间的一个点每个光模在波矢空间所占体积为每个光模在波矢空间所占体积为Vzyxkkkzyx33处于空腔单位体积内,频率位于处于空腔单位体积内,频率位于 附近单位频率间隔的光波模式数(光附近单位频率间隔的光波模式数(光波模密度)为波模密度)为3 3c c28 在频率很高的光频波段,由于在频率很高的光频波段,由于E1时,时,N2N1。表明在热平衡状态下高能级上的粒子数布居总是。表明在热平衡状态下高能级上的粒子数布居总是小于低能级,且两者的比例取决于体系的温度。小于低能级,且两者的比例取决于体系的温度。一般地,在热平衡状态下,几乎所有的原子都处于最低能态一般地,在
7、热平衡状态下,几乎所有的原子都处于最低能态基态。基态。kTENnnexp两个能级两个能级E1与与E2上的粒子数布居之比:上的粒子数布居之比:在热平衡状态下气体原子体系的粒子数布居满足玻耳兹曼分布律:在热平衡状态下气体原子体系的粒子数布居满足玻耳兹曼分布律:T:热平衡温度;:热平衡温度;Nn:能级:能级En上的粒子数布居;上的粒子数布居;k:玻耳兹曼常数。:玻耳兹曼常数。(1)自发辐射自发辐射 处于高能级上的原子,总是会自发地跃迁到低能级上,伴随辐射出一处于高能级上的原子,总是会自发地跃迁到低能级上,伴随辐射出一个频率为个频率为n 的光子,称为光的自发辐射。的光子,称为光的自发辐射。hEE121
8、2EEh3.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收说明:自发辐射是个说明:自发辐射是个随机随机过程,处于高能级的各个原子随时地、独立地向过程,处于高能级的各个原子随时地、独立地向低能级自发跃迁,所发射的光子形成一个个相位、偏振态和传播方低能级自发跃迁,所发射的光子形成一个个相位、偏振态和传播方向均彼此无关的波列,因而是非相干的。向均彼此无关的波列,因而是非相干的。自发辐射光子的能量和频率分别满足:自发辐射光子的能量和频率分别满足:处于低能级上的原子,受到频率为处于低能级上的原子,受到频率为n的入射光照射时,有可能吸收一个的入射光照射时,有可能吸收一个光子的能量而跃迁到相应
9、的高能级上,称为光的受激吸收,且有光子的能量而跃迁到相应的高能级上,称为光的受激吸收,且有 12EEh(2)(2)受激吸收受激吸收3.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收处于处于E2能级上的原子,在受到频率能级上的原子,在受到频率n 正好满足正好满足hn=E2-E1的入射光子的作用时,的入射光子的作用时,有可能自所处有可能自所处E2能级跃迁到能级跃迁到E1能级,并辐能级,并辐射一个同频率的光子。射一个同频率的光子。说明:说明:与自发辐射不同,受激辐射光子与入射光子具有与自发辐射不同,受激辐射光子与入射光子具有相同相同的模式,即的模式,即 同频率、同相位、同偏振态同频率、
10、同相位、同偏振态,因而是相干的。,因而是相干的。受激辐射与受激吸收受激辐射与受激吸收互为逆过程互为逆过程,两者同时发生,同时存在。,两者同时发生,同时存在。(3)(3)受激辐射受激辐射3.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射过程:原子体系单位时间内从能级自发辐射过程:原子体系单位时间内从能级E2跃迁到能级跃迁到能级E1的粒子总数只与的粒子总数只与E2上的粒子数布居上的粒子数布居N2成正比,与辐射场无关,即成正比,与辐射场无关,即 22121ddNAtN受激辐射过程:原子体系单位时间内从始态到终态跃迁的粒子数,除了与始受激辐射过程:原子体系单位时间内从始态到终态跃
11、迁的粒子数,除了与始态上的粒子数布居有关外,还与能量等于两能级差的入射光态上的粒子数布居有关外,还与能量等于两能级差的入射光子数密度子数密度u(n)(辐射能谱密度)成正比,即(辐射能谱密度)成正比,即 11212ddNuBtN 22121ddNuBtNA21、B12、B21:爱因斯坦系数:爱因斯坦系数3.3 爱因斯坦公式爱因斯坦公式 按照爱因斯坦的观点,在热平衡状态下,原子体系在单位时间内受激按照爱因斯坦的观点,在热平衡状态下,原子体系在单位时间内受激吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和。即吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和。即 221221112NuBNANuB 2
12、21112221NBNBNAu由玻耳兹曼分布律得:由玻耳兹曼分布律得:kThkTEENNexpexp1221 211221eBBAukTh3.3 爱因斯坦公式爱因斯坦公式比较两式可得爱因斯坦公式:比较两式可得爱因斯坦公式:BABAchBA2112213321218BBB1221说明:爱因斯坦公式为激光的发明奠定了理论基础说明:爱因斯坦公式为激光的发明奠定了理论基础 由普朗克量子辐射公式可以证明:由普朗克量子辐射公式可以证明:1e18,4330kThchTMcu3.3 爱因斯坦公式爱因斯坦公式 当频率为当频率为n 的光波通过具有能级差的光波通过具有能级差E2-E1=hn 的介质时,将同时发生受激
13、的介质时,将同时发生受激吸收和受激辐射。按爱因斯坦公式,吸收和受激辐射。按爱因斯坦公式,dt时间内,介质单位体积受激吸收的光时间内,介质单位体积受激吸收的光子数子数dN12与受激辐射的光子数与受激辐射的光子数dN21之比为之比为 121221ddNNNN热平衡状态下:热平衡状态下:N2N1,dN21N1,dN21dN12。即高能态的粒子数布居大于低能态。即高能态的粒子数布居大于低能态。意义:光波在处于粒子数布居反转分布的介质中传播时,介质受激辐射的光意义:光波在处于粒子数布居反转分布的介质中传播时,介质受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数,宏观效果表现为光放大或光增益。子数大于受激吸收的光子数
14、,宏观效果表现为光放大或光增益。实现粒子数布居反转分布是产生激光的必要条件实现粒子数布居反转分布是产生激光的必要条件 能够造成粒子数布居反转分布的介质称为激光介质或增益介质能够造成粒子数布居反转分布的介质称为激光介质或增益介质 3.4 粒子数布居反转与光放大粒子数布居反转与光放大能级寿命能级寿命t:粒子能够在某个能级上停留的平均时间。:粒子能够在某个能级上停留的平均时间。由于自发辐射,能级由于自发辐射,能级E2上的粒子数上的粒子数N2将随时间减少,在将随时间减少,在dt内的改变量:内的改变量:tNANNddd221212tANN21202exp 意义:意义:E2上粒子数上粒子数N2的减少量与自
15、发辐射几率系数的减少量与自发辐射几率系数A21的大小有关,经过的大小有关,经过t=1/A21时间后,将减少到初始值的时间后,将减少到初始值的1/e。所谓能级寿命实际上就是指在。所谓能级寿命实际上就是指在该能级上的粒子数减少到初始值的该能级上的粒子数减少到初始值的1/e所经历的时间。所经历的时间。3.5 能级寿命能级寿命说明:若在能级说明:若在能级E2以下有若干个低能级,则能级以下有若干个低能级,则能级E2的寿命应等于该能级到各的寿命应等于该能级到各个低能级自发辐射几率系数之和的倒数,即个低能级自发辐射几率系数之和的倒数,即 121212121AAAA结论:自发辐射系数越小,自发辐射的过程就越慢
16、,粒子数在该能级的寿命结论:自发辐射系数越小,自发辐射的过程就越慢,粒子数在该能级的寿命就越长,原子处在该状态就越稳定。就越长,原子处在该状态就越稳定。亚稳态:寿命特别长的激发态,可达亚稳态:寿命特别长的激发态,可达10-31s。因原子的碰撞和外界干扰,。因原子的碰撞和外界干扰,能级的实际寿命要比其自然寿命短几个数量级。能级的实际寿命要比其自然寿命短几个数量级。3.5 能级寿命能级寿命3.6 激光器的基本结构激光器的基本结构实现激光发射的两个必备条件:受激辐射的产生和放大。实现激光发射的两个必备条件:受激辐射的产生和放大。激光器:能够实现受激辐射产生和放大的器件或装置。激光器:能够实现受激辐射
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