深圳大学电子科学与技术学院：《激光原理 Principle of Laser》课程教学资源（PPT课件）第一章 激光的基本原理 第一部分 激光的物理基础

深圳大学电子科学与技术学院 激光的物理基碰 光的相干性和光波模式的联系 ·光的受激辐射 ·光放大和振荡的基本概念

深圳大学电子科学与技术学院 激光的物理基础 • 光的相干性和光波模式的联系 • 光的受激辐射 • 光放大和振荡的基本概念

深圳大学电子科学与技术学院 1.1相干性的光子描述 1.2光的受激辐射基本概念 1.3光的受激辐射放大 1.4光的自激振荡

深圳大学电子科学与技术学院 • 1.1 相干性的光子描述 • 1.2 光的受激辐射基本概念 • 1.3 光的受激辐射放大 • 1.4 光的自激振荡

深圳大学电子科学与技术学院 1.1相干性的光子描述 、光子的性质 具有能量E=hv 具有运动质量m=6/e2=hvl 具有动量P=mCn=h ·具有两种可能的独立偏振状态 光子具有自旋,且自旋量子数为整数,大量 光子的集合,服从玻色——爱因斯坦统计规 律,处于同一状态的光子数目是没有限制的

深圳大学电子科学与技术学院 一、光子的性质 • 具有能量 • 具有运动质量 • 具有动量 • 具有两种可能的独立偏振状态 • 光子具有自旋，且自旋量子数为整数，大量 光子的集合，服从玻色——爱因斯坦统计规 律，处于同一状态的光子数目是没有限制的 1.1 相干性的光子描述  = h 2 2 m =  c = h c P mcn k     = 0 =

深圳大学电子科学与技术学院 1.06μm Laser 1 ft A l-J,I-ns pulse of 1.06-um laser light pictured as a wave Laser 1 ft- A l-J, 1-ns pulse of 1.06-um light pictured as photons 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

深圳大学电子科学与技术学院 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

深圳大学电子科学与技术学院 任意电磁波可看作是一系列单色平面电磁波 (以波矢k为标志)的线性叠加,或一系列 电磁波的本征模式(或本征状态)的叠加 每个本征模式所具有的能量是量子化的,是 基元能量的整数倍,本征模式的动量也可 表示为基元动量的整数倍。 具有基元能量m和基元动量M的物质单元称 为属于第/个本征模式(或状态)的光子。具 有相同能量和动量的光子彼此间不可区分, 因而处于同一模式(或状态)。每个模式内 的光子数目是没有限制的

深圳大学电子科学与技术学院 • 任意电磁波可看作是一系列单色平面电磁波 （以波矢 为标志）的线性叠加，或一系列 电磁波的本征模式（或本征状态）的叠加。 每个本征模式所具有的能量是量子化的，是 基元能量 的整数倍，本征模式的动量也可 表示为基元动量 的整数倍。 • 具有基元能量 和基元动量 的物质单元称 为属于第l个本征模式（或状态）的光子。具 有相同能量和动量的光子彼此间不可区分， 因而处于同一模式（或状态）。每个模式内 的光子数目是没有限制的。 l k  l h l k   l h l k  

深圳大学电子科学与技术学院 光波模式和光子状态 按照量子电动力学概念,利用波动和粒子两 种观点,说明:光波的模式和光子的状态是 等效的

深圳大学电子科学与技术学院 • 二、光波模式和光子状态 • 按照量子电动力学概念，利用波动和粒子两 种观点，说明：光波的模式和光子的状态是 等效的

深圳大学电子科学与技术学院 (一)波动观点 光电磁波的运动规律由麦克斯韦方程决定 单色平面波是一种特解 麦克斯韦方程的通解可表示为一系列单色 平面波的线性叠加

深圳大学电子科学与技术学院 • 光电磁波的运动规律由麦克斯韦方程决定 • 单色平面波是一种特解 • 麦克斯韦方程的通解可表示为一系列单色 平面波的线性叠加 （一）波动观点

深圳大学电子科学与技术学院 在自由空间,具有任意波矢的单色平面波都 可以存在 在一个有边界条件限制的空间V内,只能存在 系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波 这种能够存在于腔内的驻波(以某一波矢为 标志)称为电磁波的模式或光波模。一种模 式是电磁波运动的一种类型,不同模式以不 同的区分。 同一被矢对应着两个具有不同偏振方向的模

深圳大学电子科学与技术学院 • 在自由空间，具有任意波矢 的单色平面波都 可以存在。 • 在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在 一系列独立的具有特定波矢 的平面单色驻波。 • 这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢 为 标志）称为电磁波的模式或光波模。一种模 式是电磁波运动的一种类型，不同模式以不 同的 区分。 • 同一波矢对应着两个具有不同偏振方向的模。 k k k k

深圳大学电子科学与技术学院 求空腔内的模式数月: ·设空腔为V=AxAy的立方体,沿三个坐标 轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为 Ay=n,△=q 2 2 波矢k的三个分量应满足条件 m.k.= △x △ 每一组正整数m、n、q 对应腔内一种模式 (包含两个偏振)

深圳大学电子科学与技术学院 • 设空腔为 的立方体，沿三个坐标 轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为 • 波矢 的三个分量应满足条件 q z n k y m k x kx y z  =  =  =    , , 每一组正整数m、n、q 对应腔内一种模式 （包含两个偏振） V = xyz 2 , 2 , 2    x = m y = n z = q k 求空腔内的模式数目：

深圳大学电子科学与技术学院 以k、k为轴建立直角坐标系,即在波矢 空间中表示光波模,每个模对应波矢空间的 点。每一模式在三个坐标轴方向与相邻模 的间隔为 丌 1△ △ y 兀△ △z 每个模式在波矢空间占有一个体积元 △△k△k △X△v△z

深圳大学电子科学与技术学院 • 以kx、ky、kz为轴建立直角坐标系，即在波矢 空间中表示光波模，每个模对应波矢空间的 一点。每一模式在三个坐标轴方向与相邻模 的间隔为 • 每个模式在波矢空间占有一个体积元 z k y k x kx y z   =   =   =    , , x y z V k k k x y z 3 3   =       =