第二節(jié)光波模式和光子狀態(tài)光波是一種電磁波，是E和B的振動(dòng)和傳播。如下圖所示。習(xí)慣上常把電矢量叫做光矢量圖（1-1）電磁波的傳播1、光波：第二節(jié)光波模式和光子狀態(tài)光波是一種電磁波，是E和B的振動(dòng)2、光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系(1)波長(zhǎng):振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。(2)光速(3)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)(4)三者的關(guān)系在真空中

各種介質(zhì)中傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度各不相同

2、光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系(1)波長(zhǎng):振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)狹義定義：能夠存在于腔內(nèi)的駐波稱(chēng)為光波模式1.定義：廣義定義：能代表光波場(chǎng)振動(dòng)狀態(tài)的場(chǎng)分布稱(chēng)為光波模式，一種光波模式代表具有一定頻率、一定偏振方向、一定傳播方向和一定壽命的光波一、光波模式：僅波腹上、下振動(dòng)，波節(jié)不移動(dòng)狹義定義：能夠存在于腔內(nèi)的駐波稱(chēng)為光波模式1.定義：一、光波單色平面波表示為：?jiǎn)紊矫娌ū硎緸椋簡(jiǎn)栴}：在有邊界條件限制的空間，的取值是否連續(xù)縱模標(biāo)記，取正整數(shù)鏡面有π位相突變問(wèn)題：在有邊界條件限制的空間，的取值是否連續(xù)縱模標(biāo)記，不同的光波模式以不同的波矢來(lái)區(qū)分結(jié)論同一波矢對(duì)應(yīng)著兩個(gè)具有不同偏振方向的模不同的光波模式以不同的波矢來(lái)區(qū)分結(jié)論同一波矢2.空腔內(nèi)的光波模式數(shù)2.空腔內(nèi)的光波模式數(shù)第二章-激光的物理基礎(chǔ)22光波模式和光子狀態(tài)課件第二章-激光的物理基礎(chǔ)22光波模式和光子狀態(tài)課件第二章-激光的物理基礎(chǔ)22光波模式和光子狀態(tài)課件舉例計(jì)算空腔內(nèi)的模式數(shù)舉例計(jì)算空腔內(nèi)的模式數(shù)二、光子狀態(tài)1.光子的基本特性式中h是普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J?S二、光子狀態(tài)1.光子的基本特性式中h是普朗克常數(shù)，h=6.6第二章-激光的物理基礎(chǔ)22光波模式和光子狀態(tài)課件2.光子的狀態(tài)區(qū)分光子狀態(tài)：指光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)質(zhì)點(diǎn)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由相空間內(nèi)的一點(diǎn)表示2.光子的狀態(tài)區(qū)分質(zhì)點(diǎn)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由相空間內(nèi)的一點(diǎn)表示微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定，位置測(cè)得越準(zhǔn)確，動(dòng)量就越測(cè)不準(zhǔn)。對(duì)于一維運(yùn)動(dòng)情況意味著處于二維相空間面積元之內(nèi)的粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在物理上是不可區(qū)分的，它們應(yīng)屬于同一種狀態(tài)。微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定，位置測(cè)得越準(zhǔn)確，動(dòng)量就在三維運(yùn)動(dòng)情況下，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：在三維運(yùn)動(dòng)情況下，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：相格是相空間中用任何實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小尺度。光子的某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能定域在一個(gè)相格中，但不能確定它在相格內(nèi)部的對(duì)應(yīng)位置。或者說(shuō)，光子的狀態(tài)并不對(duì)應(yīng)于相空間的點(diǎn)，而是對(duì)應(yīng)于相空間中體積為h3的相格。一個(gè)相格所占有的坐標(biāo)空間體積（或稱(chēng)相格空間體積），或者說(shuō)相格是相空間中用任何實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小尺度。光子的某3.光子狀態(tài)數(shù)3.光子狀態(tài)數(shù)第二章-激光的物理基礎(chǔ)22光波模式和光子狀態(tài)課件三、光波模式和光子狀態(tài)的關(guān)系證明：一個(gè)光波模式在相空間所占的體積等于一個(gè)相格三、光波模式和光子狀態(tài)的關(guān)系證明：一個(gè)光波模式在相空間所占的第二章-激光的物理基礎(chǔ)22光波模式和光子狀態(tài)課件第二章-激光的物理基礎(chǔ)22光波模式和光子狀態(tài)課件結(jié)論光波模和光子狀態(tài)是等價(jià)的一個(gè)光波模里的光子具有相同的光子狀態(tài)光波模式代表可以區(qū)分的光子狀態(tài)一個(gè)光波模在相空間也占有一個(gè)相格。因此，一個(gè)光波模等效于一個(gè)光子態(tài)。結(jié)論光波模和光子狀態(tài)是等價(jià)的一個(gè)光波模里的光子具有相同的光子量子電動(dòng)力學(xué)從理論上把光的電磁（波動(dòng)）理論和光子（微粒）理論在電磁場(chǎng)的量子化描述的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來(lái)，在理論上闡明了光的波粒二象性。量子電動(dòng)力學(xué)從理論上把光的電磁（波動(dòng)）理論和光子（微四、光子簡(jiǎn)并度定義：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱(chēng)為光子簡(jiǎn)并度含義：同態(tài)光子數(shù)同一模式內(nèi)的光子數(shù)處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)四、光子簡(jiǎn)并度定義：含義：討論光子簡(jiǎn)并度高相干性好相干光強(qiáng)大大量光子處于同一光子態(tài)普通光源的光子簡(jiǎn)并度小溫度為6000K的黑體，在可見(jiàn)光波段光子簡(jiǎn)并度為10-3激光的光子簡(jiǎn)并度非常大輸出功率為1mW，103Hz的He-Ne激光器光子簡(jiǎn)并度可達(dá)1011激光是一種具有很高光子簡(jiǎn)并度的光討論光子簡(jiǎn)并度高相干性好相干光強(qiáng)大大量光子處于同一光子態(tài)五、光子的相干性討論滿(mǎn)足什么條件的光子是相干的證明一個(gè)光子態(tài)所占的空間體積等于相干體積研究一個(gè)光子態(tài)內(nèi)的光子是否相干五、光子的相干性討論滿(mǎn)足什么條件的光子是相干的證明一個(gè)光子態(tài)此光束內(nèi)的光子具有動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)量，因?yàn)楹苄∑涓鞣至繛楦鶕?jù)馮希德—希尼克定理：相干體積內(nèi)的光束都必須落在頂角為的圓錐體內(nèi)。此光束內(nèi)的光子具有動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)量，因?yàn)楹苄∑涓鞣至繛槿暨@些光子處于同一相格內(nèi)，則光子占有的相干空間體積為若光子屬于同一光子態(tài)，則其應(yīng)包含在相干體積之內(nèi)屬于同一光子態(tài)的光子是相干的關(guān)于相干性的結(jié)論：相格的空間體積以及一個(gè)光波模或