第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件

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：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2、光速、频率和波长三者的关系、光速、频率和波长三者的关系(1)波长波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。的距离。(2)光光速速(3)频率和周期：频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系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 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、下振波腹上、下振动，波波节不移不移动狭义定义：能够存在于腔内的驻波称为光波模式1.定义：一、光波单色平面波表示为：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，取正整数纵模标记，取正整数镜面有镜面有位相突变位相突变问题：在有边界条件限制的空间，的取值是否连续纵模标记，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不同的光波模式以不同的波矢 来区分结论同一波矢 2.空腔内的光波模式数2.空腔内的光波模式数第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件举例计算 空腔内的模式数举例计算 空腔内的模式数二、光子状态1.光子的基本特性式中式中h是普朗克常数，是普朗克常数，h=6.6261010-34-34JSJS二、光子状态1.光子的基本特性式中h是普朗克常数，h=6.6第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件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2.光子的状态区分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，它们应运动状态在物理上是不可区分的，它们应属于同一种状态。属于同一种状态。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，动量就在三维运动情况下，测不准关系：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 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3.光子状态数3.光子状态数第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件三、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第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件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。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 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。量子电动力学从理论上把光的电磁（波动）理论和光子（微四、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四、光子简并度定义：含义：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。此光束内的光子具有动量测不准量，因为很小其各分量为 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第二章-激光的物理基础22光波模式和光子状态课件