资源描述：
《激光产生条件的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、激光原理的调硏胡淼，2905402036以前我总是在想我们光电学院的为什么要学量子力学、统计物理、电磁场与电磁波等非常理论难懂的课程。的确,这些课程整本书汉字没几个，英文也没几个，但是稀奇古怪的字符什么的一堆又一堆，让人看了就晕。但是如果你不放弃的话,越学这三门课程越是觉得他们有着很暧昧的关系：开始量子力学的第一课光的波粒二象性；接着电磁场与波中就把电磁波的麦克斯韦方程提了出来,给出了研究光波的指导。接着热力学后开始了统计物理的第一节，讲的就是粒子运动状态的经典和量子描述。所以经过本人浅显的分析，热统分析的是粒子性，电磁场与波分析的是波动性，而量子力学是二者的
2、结合，对于我们光电学院的学生来说都是最重要的基础课程，只不过热统和场波的老师不会把研究的粒子锁定为光子来告诉你这个对你很重要。那么这些又和激光有什么关系呢，激光的英文名Laser其实是"LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation"的首字母缩写,意为〃通过受激发射实现光放大"。受激发射要用到量子力学和热力学统计的理论,而光放大其实不是应用放大器而是光频载波产生器，这又应用到了电磁场与波的知识。所以，激光原理是这三门学科的综合应用。前几天听一名外国人说中国的大学课程都是"Beforeyouknowit,you
3、weregraduatedit."看着没几节课就结课了,真心地希望通过这篇不成格式的小论文，把我学到的东西的理解写出来，再请老师把其中的错误不足指出来,使这三门课成为我以后不论是学习还是科研的坚实基5出，也仅以此本文感谢这一学期以来一直教我这三门课的四位老师:张晓霞老师，蒋向东老师，王园老师和孙久勋老师。一、光的电磁波理论和光波模式按照经典电磁理论，光电磁波的运动规律同样也有麦克斯韦方程组决定。在无源空间各向同性媒质中其微分形式为：VXE7XH：&E七7-E=07-H=：0考虑到对光现象起主要作用的是电场强度，于是由麦氏方程导出各向同性的均匀介质中电场强度矢量
4、（电场的定态波函数）满足的波动方程。WE+R临=0这个方程又称为亥姆霍兹方程，其中k二3、，丽在无边界约束的条件下，方程有各种形式的解，每种特解称为一种模式，其中最基本的特解是单色平面波（定态平面波X它表示为氐为光波电场振幅矢量，他有两个独立的偏振分量。k为波矢量且k二恩+%,+恩，代表平面波的传播方向。亥姆霍兹方程的通解是一系列模式（单色平面波的叠加）,由于没有约束，任意波矢量的单色平面波都存在，这也就是我们所说的自然光。事实上，任何光包括激光，都不能是完全单色的，总有一定的频率宽度，如果必v、我们就认为这种波是单色波。但是,在一个有边界约束的情况下，特解形
5、式就会发生变化,为简单起见，我们考虑一个矩形腔，如图体积为V二abc,导体腔面上必须服从边界条件rxE=0,这里n是腔面外法线方向，表明腔面上的电场切向分量必须等于0。这个约束使方程严E+k£E=0的特解不再是任意波矢量k的单色平面波，k的取值不再连续，只能取一系列特定值，腔内只能存在一系列独立的具有特定波矢量k的平面单色驻波,称为驻波模。而无约束时称为行波模。利用分离变量法求解空腔内电磁场的波动方程。令E=Efe丹⑵将其带入7£E+k2E=0则得(xy,z}+k2E(xy.z)=0由方程通解为=AeaJn(wt+$)也可见腔内的场为驻波。对E(xy,z)仍采
6、用分离变量法求解方程,令Efey.z)=X00Y(y)Z(z),强详细推导可见《电磁场与电磁波(第四版)》的7.2节,我们可以得到驻波条件是kxa=)nnkjrb=imksc=qn式中m、n、q取正整数。每一组mnq在波矢空间确定一个允许的k值，表示腔内一个驻波模,每个模在三个坐标方向与相邻模式的间隔为央=2因此每个模式在波矢空间占有一个体积元另外数值大小为k-k+dk的波矢量k在波矢空间对应以原点为球心，k为半径，dk为厚度的球壳，但由于m,n,q都为正整数，所以只应计算第一卦限的体积，再考虑每个k包含两个独立的偏振态，算两个模。所以在体积为V的空腔内的总模
7、式数为m=-S—_—=——vavTlFV此处用到k=吟c=2呼c以及k对应两个模式。最后存在于体积为V的空腔单位体积内’在T附近单位频率间隔的光波模式数,即模式密度为&TW2二光子态上面我们是通过经典电磁学理论讨论的光波模式,下面我们将以上量子理论和热力学统计物理的知识出发讨论光子态，从而得出光波模与光子态的等价，这样不但可以证明大量光子集合所遵循的统计物理规律的正确性,而且对硏究光的粒子性，如相干性问题也会有很大意义。按照光量子学说,光是一种以速度为光速c运动的光子流,光子与其他粒子一样也具有能量E,动量p,质量m,我们可以总结出光子的基本性质1、光子粒子性
8、和波动性的联系phv2、光子具有两种可
