激光的相干性和光子统计

1、人类认识光的三个主要发展阶段人类认识光的三个主要发展阶段 1牛顿的微粒说牛顿的微粒说 2惠更斯的波动说惠更斯的波动说 3爱因斯坦的量子论爱因斯坦的量子论1方向性好方向性好2单色性好单色性好 空间相干性空间相干性方向性方向性3相干性好相干性好 时间相干性时间相干性单色性单色性4单色亮度高单色亮度高 单色亮度为在光传播方向单位面积，单位立体角，单色亮度为在光传播方向单位面积，单位立体角， 单位频率间隔辐射的光功率单位频率间隔辐射的光功率 PB =S1除光子简并度高外还具有不同的光子统计特性除光子简并度高外还具有不同的光子统计特性2除具有一阶相干性外还具有各高阶相干性除具有一阶相干性外还具有各高阶相

2、干性 一、激光理论概述一、激光理论概述二、激光的相干性二、激光的相干性三、激光的光子统计三、激光的光子统计处理激光问题三个层次的理论处理激光问题三个层次的理论 1速率方程理论速率方程理论 2半经典理论半经典理论 3全量子理论全量子理论 辐射场辐射场原子系统原子系统损耗机制损耗机制泵浦过程泵浦过程原子与原子与场相互场相互作用作用激光系统激光系统环境环境全量子力学方程全量子力学方程半经典方程半经典方程速率方程速率方程对泵浦和弛豫过程取平均对泵浦和弛豫过程取平均忽略掉所有的相位关系忽略掉所有的相位关系用来研究激光线宽、强度的用来研究激光线宽、强度的起伏、相干性、光子统计等起伏、相干性、光子统计等用来

3、研究阈值条件、输出功率等用来研究阈值条件、输出功率等(连续运转、脉冲运转、调连续运转、脉冲运转、调Q激光器激光器)用来研究频率牵引和推斥、用来研究频率牵引和推斥、粒子数的脉动、相位锁定、粒子数的脉动、相位锁定、超短脉冲、相干光学瞬态过程等超短脉冲、相干光学瞬态过程等 1*1 12 21122,Grt rtE r t E r tSS1S2r1r2R DOrLxx杨氏干涉实验杨氏干涉实验 *1 12121101,limTTE r t E r tt dtT *112211 12 21222*1122,Er tE r tgrt r tEr tE r t一阶相干度一阶相干度:光场时空坐标光场时空坐标 和

4、和 的的 一阶相关函数一阶相关函数:1 1,r t22,r t1212/t tr r c 混沌光的一阶相干度混沌光的一阶相干度混沌光的二阶相干度混沌光的二阶相干度a)高斯线型b) 洛仑兹线型为线宽参数a)高斯线型 b) 洛仑兹线型为线宽参数1212/ttrrc 二阶相关函数二阶相关函数 21 12 21122,Grtr tI r tI r t112121101lim,TIr tIrttdtT二阶相干度二阶相干度 112*2112211222221122,Er tErtEr tErtgrtr tEr tErt *1 111221222221 11122,nnnnnnnnnnnnnEr tEr t

5、E rtE rtgE r tE r tE rtE rtn阶相干度阶相干度单模激光场的光子数分布单模激光场的光子数分布 所满足的方程所满足的方程 nn 1,11,111111nnnnnnnnnnnAdnAtcnc ndtnB AnB A 式中式中 可由归一化条件求出。可由归一化条件求出。 0001nnn0011nnnkACkBA达到平衡时的光子数分布达到平衡时的光子数分布式中式中:A线性增益系数自饱和系数损耗系数线性增益系数自饱和系数损耗系数001nnnkA kBC在阈值附近简化为：在阈值附近简化为：在远高于阈值时，激光的光子在远高于阈值时，激光的光子分布接近相干态的泊松分布：分布接近相干态的泊松分布：!nnnnnen 达到平衡态时的光子数分布达到平衡态时