相干性的光子描述
光的相干原理
光的相干原理介绍光的相干性是光学中的基本概念，是指两个或多个光波之间存在一定的相干关系。
光的相干性与波的性质密切相关，相干光可以产生干涉和衍射现象，也可应用于干涉测量、光学显微镜、激光技术等领域。
光的相干原理是研究相干性质的理论基础，它描述了光的相干性形成的原因和相干性的特征。
一、相干性的概念•相干性是指两个或多个波在时间和空间上保持一定的相位关系，并以某种规律变化的一种特性。
•相干现象表现为干涉和衍射，干涉是指两个波叠加形成明暗条纹的现象，衍射是指波通过障碍物后产生的弯曲和展宽的现象。
二、相干性的表征1. 相长和相消相干性可分为相长和相消两种情况： - 相长：两个波的相位差固定，波峰和波谷始终在同一位置，形成干涉现象。
- 相消：两个波的相位差发生变化，出现干涉条纹的消失。
2. 光程差光程差是指两个或多个波的传播路径差，光程差的大小会影响波的相干性。
当光程差小于波长的一半时，波的相位差会发生变化，波的相干性会减弱或消失。
3. 相干时间和相干长度相干时间是指波的相干性在时间上保持的长度，相干长度是指波的相干性在空间上保持的长度。
相干时间和相干长度决定了相干现象的大小和范围。
三、相干性的形成原因1. 波的干涉当两个或多个波在空间和时间上保持一定的相位差时，它们会产生干涉现象。
干涉是相干性的一种表现形式，是由波的叠加所引起的。
2. 相干光源相干光源是指同时发出的多个波在时间和空间上保持一定相位关系的光源。
激光就是一种相干光源，由于激光的高相干性，它可以产生强烈而稳定的干涉和衍射现象。
3. 相干性保持机制相干性的保持机制包括相位保持和振幅保持两个方面： - 相位保持：光的相位可以受到外界的干扰而改变，但在相干光源的作用下，相位会以一定的规律进行修正，保持一定的相位关系。
- 振幅保持：相干光源在传播过程中，波的振幅会遭受衰减，但在相干光源的作用下，振幅会以一定的规律进行补偿，保持一定的振幅关系。
四、相干性的应用1. 光学干涉仪器光的相干性可以实现干涉仪器的设计和制造，如干涉测量技术、光学显微镜、干涉过滤器等。
论述光的空间相干性和时间相干性
1 概述 2 空间相干性 3 时间相干性 4 总结
概述
光的干涉：干涉现象是波动独有的特征，光也是波， 就必然会观察到光的干涉现象。两列或几列光波在空间相 遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始 终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。
光的相干性：两束光在某一点相遇产生干涉的条件是： 频率相同、振动方向相同、位相差恒定。简单地可以分为 相干光和非相干光。
时间相干性
下面介绍光的相干时间的两个度量：相干长度和相干
时间。
相干长度：
Lc
ct
c
2
相干时间： c
Lc c
c
c
1
或
c
2 c
2 c
由以上两式可以得出相干性反比公式： 1
时间相干性
由时间相干性的反比公式可以得出：当Δν越小 （即光源单色性越好）时，则相干时间越大，继而相 干长度越大。
空间相干性
杨氏双缝干涉实验装置
x
z y
空间相干性
双缝间距为d，两个屏间距为r，光波的波长为 λ，光源在x方向上的线度为Δx。有下式满足时， 可以出现干涉现象：d<rλ/ Δx。
如果光源在y方向上的线度为Δy，则光源的发 光面积为ΔA= Δx×Δy。在光场中与光源相距r处 的空间有一块垂直于光传播方向的面积
综上可知，发光持续时间τ，可以作为能否产生 干涉现象的一个界定量，称之为相干时间。
相应地，波列长度LC(即两列相干波到达观察点的 最大光程差)，称为相干长度。
τ或LC越大，时间相干性越好，反之就越差。
结语
通过以上关于光的空间相干性和时间性的一些介绍，我们现 在简单地进行一下归纳总结，分别从以下几个方面讨论一下光的 空间相干性和时间相干性的区别。
激光原理知识点汇总201905
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度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4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
完全相干光定义
完全相干光定义1. 引言在光学研究中，我们经常会遇到光的相干性问题。
相干性是指两个或多个波的干涉特性。
完全相干光是指具有确定的相位关系、频率和振幅的光波。
本文将介绍完全相干光的定义、特性和相关应用。
2. 完全相干光的定义完全相干光是指两个或多个波具有确定的相位关系、频率和振幅，并且在任意时刻都能够进行完美的叠加形成干涉图样。
这意味着它们之间存在着稳定的相位差，无论时间或空间上如何改变，它们之间的相位差都保持不变。
3. 完全相干光的特性3.1 波源特性完全相干光需要具有稳定且确定的波源特性。
这意味着波源应该产生稳定且连续的波，其频率和振幅应该保持不变。
例如，激光器就是一个产生完全相干光的理想波源。
3.2 相位关系完全相干光的波源具有确定的相位关系。
这意味着波源发出的光波之间的相位差是固定的，并且在任何时刻都保持不变。
如果两个光波之间的相位差是随机变化的，那么它们就不是完全相干光。
3.3 干涉特性完全相干光具有明显的干涉特性。
当两个或多个完全相干光波叠加时，会产生明亮和暗淡的干涉条纹。
这些干涉条纹可以用来研究光的相位关系和测量物体表面形貌等。
3.4 相干长度完全相干光具有一个重要参数，即相干长度。
相干长度指的是在该距离范围内，两个或多个波之间的相位差保持不变。
超过这个距离，由于各种因素（如散射、衰减等），光波之间的相位差将会发生改变，失去完全相干性。
4. 完全相干光与部分相干光完全相干光与部分相干光是两种不同类型的光。
在部分相干光中，光波之间的相位差是随机变化的，而不是固定的。
这导致部分相干光的干涉条纹模糊不清，无法形成清晰的干涉图样。
完全相干光在许多实际应用中具有重要意义。
例如，它可以用于光学干涉仪器、激光技术、光学显微镜和光学通信等领域。
5. 完全相干光的应用5.1 光学干涉仪器完全相干光在干涉仪器中起着关键作用。
通过使用完全相干光源和适当的探测器，可以实现高精度的测量和显微镜观察。
例如，Michelson 干涉仪利用完全相干光进行长度测量。
光波的相干条件
光波的相干条件光波的相干条件光学是一门探究光的性质和行为的科学，其中一个重要的概念就是光波的相干性。
光波的相干性是衡量光波的稳定度和强度的因素之一。
因此，深入了解光波的相干条件对于光学领域的学习和研究至关重要。
1.相干性的定义相干性是指两个或更多的光波在时间和空间上保持稳定和有序的现象。
具体来说，光波的相位相对稳定且相互关联，导致它们能够产生干涉现象。
光波的相干性对于干涉、衍射和散射等现象的产生有着重要的影响。
2.相干的种类相干性可以分为两种类型，即时域相干和频域相干。
时域相干是指光波的相位关系在时间上保持稳定。
频域相干是指光波的相位关系在频率或波长上保持稳定。
3.相干条件相干条件是指产生相干性的物理条件。
两个最基本的相干条件是：同一光源发出的光波应当是相干的；两个不同光源发出的光波应当在相对位置、波长和相位上一致。
4.相干长度相干长度是指一个光子在光学路径中保持相干的长度。
相干长度是波导、光纤和其他光学系统中的重要参数。
波长越长，相干长度越短，因为波长越短，相位关系更容易被破坏。
5.相干度相干度是用来描述两个或多个光源的相干性程度的参数。
其数学定义是两个相干光波的平均干涉强度与它们的总亮度之比。
相干度越高，干涉模式就越易于观察和测量。
6.应用相干性是光学中许多重要现象的基础，如Michelson干涉仪的原理、自聚焦效应和光波导。
相干光的应用范围广泛，包括激光器、干涉仪、成像、通信、拉曼光谱学和光场计算等领域。
总结光波的相干性是光学领域的重要概念，对于干涉、衍射和散射等现象的产生有着重要的影响。
在相干度和相干长度的帮助下，科学家能够更好地理解光学系统的行为，提高其稳定性和每单位时间的光功率。
相干性的理解和应用有助于推动光学领域的发展，满足未来的日益增长的需求。
激光的相干性
激光的相干性着重研究和研发的激光技术，使用的是激光的相干性。
这里将从实际应用的相关原理出发，来阐述激光相干性的特征及其应用。
激光相干性是指，一个脉冲激光的光子的波长和幅度不会衰减，能够在空间和时间上保持相一致，这样就可以建立出一定规律的相干性状态。
通常激光器可以产生相干性状态，可以用来衡量激光束的相干性程度。
激光相干性可以用几个间接度量技术来分析，它们是相位相关性、光形像中心度量、谱宽度等。
激光相干性受到大量衰减因素的影响，如光束扩散、衍射和劈裂等，如果想要获得更高质量的激光束，就需要确保其相干性。
因此，激光相干性的应用主要是用来降低衰减因素的影响，获得更好的激光束质量，从而实现更好的测量精度、获得更强的集束机械能力等。
激光相干性在光学设计中也有重要的作用，比如普通的激光器可以运用激光器的相干性变大，使得集束能够达到更高的直径尺寸，从而提高激光器的功率分布。
这也是正确使用激光束来获得精度要求的依据。
此外，激光相干性还可以有效地用于激光切割、定位以及量测应用中，以提高激光束的精度。
经过相干性的施展，激光光束的聚焦点不仅增大，而且可以大大提高切割功率，进一步提高切割速度及精度，大大减小热影响范围。
激光相干性在实际应用中可以发挥极大的优势，从而极大地改善激光束的质量。
它可以用来提高切割、定位和量测等操作的准确性，极大地改善激光设备的性能。
也可以用来提高激光设备的功率分布，并且可以最大限度地降低衰减因素的影响，从而提高激光设备的效果。
因此，激光相干性的研究将会有助于更大范围地发挥激光设备的优势，从而大大改善激光的应用效果。
光子学技术的相干光与非相干光的光谱分析
光子学技术的相干光与非相干光的光谱分析光子学技术是利用光子的物理性质进行研究与应用的领域，其中光谱分析是一项重要的光子学技术应用。
光谱分析是通过研究光的波长、频率和幅度等参数，来获取物质的光谱信息，进而实现物质的检测、诊断和表征的方法。
在光谱分析中，相干光与非相干光具有不同的特点和应用。
相干光是指两个或多个光波处于相位关系或相位差处于常数关系的光，可通过干涉实验来展示它们之间的特性。
相干光具有明显的干涉效应，能够产生干涉条纹和干涉色彩。
在光谱分析中，相干光的应用主要体现在干涉光谱仪的测量中。
干涉光谱仪是一种基于干涉效应的光谱分析仪器，其原理是利用干涉现象来实现光的波长测量。
常见的干涉光谱仪有迈克尔逊干涉仪和菲涅耳双棱镜干涉仪。
这些仪器通过将被测光与参考光进行干涉，然后通过干涉效应来测量样品光的光谱信息。
相干光的特点使得干涉光谱仪能够具有高分辨率和高准确度的优点，适用于需要精确测量波长或频率的应用，如光学薄膜、光谱学等。
相对而言，非相干光则是不满足相位关系或相位差处于常数关系的光，它由许多频率和相位随机变化的光波组成。
非相干光的光谱分析常常利用光谱仪进行，尤其是使用离散频谱分析仪器。
离散频谱分析仪器可以将非相干光的复杂光谱分解成多个频率成分，通过对这些频率成分的测量和分析来获取光信号的频谱信息。
常见的离散频谱分析仪器有光谱仪和光栅光谱仪等。
光谱仪是一种非相干光谱分析仪器，通过光栅或棱镜对光信号进行角度色散，然后将其转换成光的波长信息，从而实现光谱测量。
光谱仪可以测量连续光谱，并对其进行分析和处理，用于检测物质的成分、浓度和反应过程等。
而光栅光谱仪则是利用光栅的衍射效应来测量非相干光的光谱信息的仪器。
光栅具有多个平行的刻线，它能够使不同波长的光在不同的角度上发生衍射。
通过测量不同角度上的衍射光信号强度，可以获得非相干光的光谱信息。
综上所述，光子学技术中相干光与非相干光在光谱分析中具有不同的应用。
干涉光谱仪适用于对波长和频率有高精度要求的测量，而离散频谱分析仪器则适用于分析非相干光的复杂波谱。
激光原理_第1章_激光的基本理论
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
所以光波模在相空间 px、py 、pz 轴方向所占的线度为:
px 2kx py 2k y pz 2kz
则 pxpypz
(2)3kxkykz (2)3
3
xyz
h3 xyz
即 pxpypzxyz h3
说明一个光波模在相空间也占有一个相格，等效于一个光子 态
从波动的观点得到光的模式，与从光子的观点得到 光子的量子状态是相同，两者在概念上是等效的。
用相空间描述： x
x--px相空间的点描述粒子的状 态，曲线描述过程
px
微观粒子必服从测不准原理 xpx h
x
对于微观粒子，在相空间体积元 xpx h
内，粒子的状态在物理上是不可区分的。
px
属于同一状态
对于三维微观粒子： xpxypyzpz h3
可引入六维相空间描述其状态：
在该相空间内，一个光子的状态（光子态）对应的相空间体积元 h3 体积元 h3 称为相格。 是用任何实验所能分辨的最小尺度。
光子的静止质量
h
n0
h
2
2
m0 0
n0
k
h
2
2 k n0
k 波矢量
光子具有两种可能的偏振态
光子具有自旋，且自旋量子数为整数。
服从波色—爱因斯坦统计。
处于同一状态的光子数目是没有限制的。
这与服从费米统计的粒子（电子、质子、中子）是不同的。
二、光波模式和光子状态相格
光波模式和光子状态相格是等效的概念。
V
1 4k 2dk
8
1 4k 2dk
那么在该体积元中的模式数： 8
3
V
1 8
4k
2dk
V
3
1 4k 2dk
那么在该体积元中的模式数： 8
3
1 8
4k
2dk
V
3
V
k 2 2
d
k
2
2
d
代入上式
c
c
得到在频率间隔 ~ d 内的模式数：记为P
P
8
c3
2
Vd
粒子： 描述一维经典粒子的状态： x, px
光子的某一运动状态只能定域在一个相格内，但不能确定在该相格内的位置。
宏观运动状态-----对应相空间的一个点
粒子：
微观运动状态-----对应相空间的一个相格
为什么光波的模式等效于光子的状态？
光波模式的波矢空间体积元
p
k
p
k
px
kxk ykz kx py
3
3
xyz V
ky pz kz
注意到 光波模---两列反向传播的行波组成的驻波
1960年 红宝石固体激光器
与理论预期的一样，激光（受激辐射）与普通光（自发辐射）不同。
激光：单色性、方向性、相干性、超高亮度、超短脉冲
相干性的光子描述 一、光子的基本性质
光子： 具有能量、动量、质量 光： 以光速运动的光子流
能量 h
粒子属性：
质量 动量
h
m
c
2
P mcn0
c2
h
c
n0
参考教材：光电物理基础 姜节俭编 成都电讯工程学院出版
相干性的光子描述 1917年 爱因斯坦：
在量子理论的基础上提出：在物质与辐射场的相互作 用中，构成物质的原子或分子可以在光的激励下产生光子 的受激发射----受激辐射的光放大----激光
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ---- LASER
依据驻波条件，有
x m
2
y n
2
z q
2
2 k n0
kxi
2
i
m、n、q为正整数
kx m x
ky n y
kz q z
每一组m、n、q数，对应空腔V内一种模式
kx
m
x
ky
n
y
kz
q
z
每一组m、n、q数，对应空腔V内一种模式
在波矢空间
每个模式对应波矢空间的一个点
kz
k
光具有波粒二象性，对光可以从波动和粒子两种观点来描述。
波动：
E(r,t) E0 exp(i2t ik r)
自由空间中，k 任意的波都存在。
但在有边界条件限制时，如空间体积V内，
只能存在具有特定波矢的平面波，对应每一个波矢 k
还有两个不同的偏振态（也称偏振模式）。
空腔V内的模式数：
V xyz
相邻模式间的间隔：
kx
(m
1)
x
m
x
x
kx
ky
kx x
ky y
kz z
也就是说，每个模式在波矢空间占有一个体积元
3
kxk ykz xyz
3
V
kz
k
kxk ykz
பைடு நூலகம்
3
xyz
kx
在 k ~ k dk 内
ky
体积元为 4k 2dk
注意到m、n、q只能取正整数，则 体积元应为
3
每个模式在波矢空间占有的体积元