激光的相干性和光子統(tǒng)計(jì)

1、人類認(rèn)識(shí)光的三個(gè)主要發(fā)展階段人類認(rèn)識(shí)光的三個(gè)主要發(fā)展階段 1牛頓的微粒說牛頓的微粒說 2惠更斯的波動(dòng)說惠更斯的波動(dòng)說 3愛因斯坦的量子論愛因斯坦的量子論1方向性好方向性好2單色性好單色性好 空間相干性空間相干性方向性方向性3相干性好相干性好 時(shí)間相干性時(shí)間相干性單色性單色性4單色亮度高單色亮度高 單色亮度為在光傳播方向單位面積，單位立體角，單色亮度為在光傳播方向單位面積，單位立體角， 單位頻率間隔輻射的光功率單位頻率間隔輻射的光功率 PB =S1除光子簡(jiǎn)并度高外還具有不同的光子統(tǒng)計(jì)特性除光子簡(jiǎn)并度高外還具有不同的光子統(tǒng)計(jì)特性2除具有一階相干性外還具有各高階相干性除具有一階相干性外還具有各高階相

2、干性 一、激光理論概述一、激光理論概述二、激光的相干性二、激光的相干性三、激光的光子統(tǒng)計(jì)三、激光的光子統(tǒng)計(jì)處理激光問題三個(gè)層次的理論處理激光問題三個(gè)層次的理論 1速率方程理論速率方程理論 2半經(jīng)典理論半經(jīng)典理論 3全量子理論全量子理論 輻射場(chǎng)輻射場(chǎng)原子系統(tǒng)原子系統(tǒng)損耗機(jī)制損耗機(jī)制泵浦過程泵浦過程原子與原子與場(chǎng)相互場(chǎng)相互作用作用激光系統(tǒng)激光系統(tǒng)環(huán)境環(huán)境全量子力學(xué)方程全量子力學(xué)方程半經(jīng)典方程半經(jīng)典方程速率方程速率方程對(duì)泵浦和弛豫過程取平均對(duì)泵浦和弛豫過程取平均忽略掉所有的相位關(guān)系忽略掉所有的相位關(guān)系用來研究激光線寬、強(qiáng)度的用來研究激光線寬、強(qiáng)度的起伏、相干性、光子統(tǒng)計(jì)等起伏、相干性、光子統(tǒng)計(jì)等用來

3、研究閾值條件、輸出功率等用來研究閾值條件、輸出功率等(連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)Q激光器激光器)用來研究頻率牽引和推斥、用來研究頻率牽引和推斥、粒子數(shù)的脈動(dòng)、相位鎖定、粒子數(shù)的脈動(dòng)、相位鎖定、超短脈沖、相干光學(xué)瞬態(tài)過程等超短脈沖、相干光學(xué)瞬態(tài)過程等 1*1 12 21122,Grt rtE r t E r tSS1S2r1r2R DOrLxx楊氏干涉實(shí)驗(yàn)楊氏干涉實(shí)驗(yàn) *1 12121101,limTTE r t E r tt dtT *112211 12 21222*1122,Er tE r tgrt r tEr tE r t一階相干度一階相干度:光場(chǎng)時(shí)空坐標(biāo)光場(chǎng)時(shí)空坐標(biāo) 和

4、和 的的 一階相關(guān)函數(shù)一階相關(guān)函數(shù):1 1,r t22,r t1212/t tr r c 混沌光的一階相干度混沌光的一階相干度混沌光的二階相干度混沌光的二階相干度a)高斯線型b) 洛侖茲線型為線寬參數(shù)a)高斯線型 b) 洛侖茲線型為線寬參數(shù)1212/ttrrc 二階相關(guān)函數(shù)二階相關(guān)函數(shù) 21 12 21122,Grtr tI r tI r t112121101lim,TIr tIrttdtT二階相干度二階相干度 112*2112211222221122,Er tErtEr tErtgrtr tEr tErt *1 111221222221 11122,nnnnnnnnnnnnnEr tEr t

5、E rtE rtgE r tE r tE rtE rtn階相干度階相干度單模激光場(chǎng)的光子數(shù)分布單模激光場(chǎng)的光子數(shù)分布 所滿足的方程所滿足的方程 nn 1,11,111111nnnnnnnnnnnAdnAtcnc ndtnB AnB A 式中式中 可由歸一化條件求出。可由歸一化條件求出。 0001nnn0011nnnkACkBA達(dá)到平衡時(shí)的光子數(shù)分布達(dá)到平衡時(shí)的光子數(shù)分布式中式中:A線性增益系數(shù)自飽和系數(shù)損耗系數(shù)線性增益系數(shù)自飽和系數(shù)損耗系數(shù)001nnnkA kBC在閾值附近簡(jiǎn)化為：在閾值附近簡(jiǎn)化為：在遠(yuǎn)高于閾值時(shí)，激光的光子在遠(yuǎn)高于閾值時(shí)，激光的光子分布接近相干態(tài)的泊松分布：分布接近相干態(tài)的泊松分布：!nnnnnen 達(dá)到平衡態(tài)時(shí)的光子數(shù)分布達(dá)到平衡態(tài)時(shí)