理化生人体生物学之人体结构.pptxVIP

理化生人体生物学之人体结构;总学时: 54 学 分: 2.5 先修课程: 光学、量子力学 教 材: 《激光原理》第6版，周炳琨、高以智、陈倜嵘等主编，国防工业出版社，2009年1月 参考教材: 《激光原理》，王青圃等编著，山东大学出版社，2003年；其它参考资料;学习本课程的意义;教学内容与教学目标:;学习方法与要求：;第一章 激光的基本原理;;光量子态:不同种类的光子是以其能量、动量和偏振等特征加以区分的。而由这些不同特征所决定的光子状态叫做光量子态。而且处于同一状态内的光子，按照微观粒子的今同性原理，彼此之间是不能区分。 ;光子的运动状态和经典宏观质点有着本质的区别，它受量子力学测不准关系的制约。 测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定，位置测得越准确，动量就越测不准。;相格：相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。光子的某一运动状态只能定域在一个相格中，但不能确定它在相格内部的对应位置。或者说，光子的状态并不对应于相空间的点，而是对应于相空间中体积为h3的相格。;问题：在几何空间V， 动量间隔内，可能存在的状态数？;按照经典电磁理论，光电磁波的运动规律由麦克斯韦(C. Maxwell)方程决定。(SI制);单色平面波、均匀球面波以及高斯球面波(高斯光束)均是上述波动方程的解。;如果初始条件和边界条件给定，原则上通过求解麦克斯韦方程组，给定空间任一点的电磁场的运动可知。一般而言，求解麦克斯韦方程组可以得到多个解，而这些解的任何一种线性组合也满足麦克斯韦方程组(波叠加原理)。;利用分离变量法求解空腔中电磁场的波动方程：;还用分离变量法,令;Ex对y=0和z＝0面来说是切向分量，当y＝0和z=0时Ex =0：不取～coskyy和coskzz项。;式中含三个任意常数A1、A2 和A3．由方程?·E=0，它们之间应满足关系;代表腔内的一种谐振波模，或称为腔内电磁场的一种本征振荡。对每一组（m,n,p）值，有两个独立偏振波模。谐振频率;讨论：(1）由于模序数m,n,和p是不连续的，所以k在x，y，z方向的分量kx,ky,和kz也是不连续的。出此可见，存在于空腔中的稳 定电磁场，(腔模)，只能是偏振方向确定的分离的驻波??。(2)给定一 组(m,n,p)亦即确定了波矢k之后，电矢量位置也就被限在垂直于k的平面内，并且由于E 的空间部分有三个分量，只有一个关系式联系，所以三个分量中有两个是独立的。因而在此平面上也只可能有相应的两个模。而在这个平面中的其他任何矢 量，实际上都可以用已选定的两个矢量的线性组合来表示。;问题：光在体积为V的各向同性介质中运动时，所可能存在的模式数目。 ？;结论：在给定的几何体积内，可能存在光的模式数目等于光子的运动状态数目。;对于一维波动来说，在长度为L的区间形成驻波的条件是 ;一个光波模在相空间也占有一个相格。因此，一个光波模等效于一个光子态。; 光学中的相干体积是指在这个体积内任意两点的相干度都接近于1。;;代表互相干性;普通光源发光，是大量独立发光原子的自发辐射。每个原子发出的光波是由持续一段时间?t或在空间占有长度c?t的波列组成。Δt即为原子的激发态寿命(Δt︾10-8s秒)。不同原子发出的光波的相位是随机变化的。;;光源的相干体积：;综上所述，可以得出以下结论： (1)光波模式、光子态、相格及相应的相干体积是等价的概念。利用其等价性，在描述诸如光的相干性等光子宏观统计规律问题时，将会得到一致的结果。 (2)处于同一状态的光子，或处于向一模式的光波是相干的；处于不同状态的光子，或不同模式的光波是不相干的。 (3)偏振互相垂直，而其他量子数相同的两个给定光子态的光子，在相空间中占有相同的相格和相干体积。反之，每个相格及相应的相干体积可对应偏振方向互相垂直的两个光子态或模式。; 四、光子简并度;当辐射与物质相互作用处于热平衡状态时，光子的平均能量。;例：在室温T＝300K的情况下，计算 与波长及温度的关系。 对λ＝30cm的微波辐射，≈103，这时可以认为黑体基本上是相干光源； 对λ＝60um的远红外辐执, ≈1， 对λ＝0.6um的可见光, ≈10-35，即在一个光波模内的光子数是10-35 个，这时黑体就是完全非相干光源。 即使提高黑体温度也不可能对其相干性有根本的改善。;求准平行准单色辐射情况下，光子简并度。设光束截面：ΔS，发散角：ΔΩ ，频率宽度：Δν，平均功率：p。;对给定的波长或频率的光辐射，光子的简并度与单色定向亮度成正比。 光子的简并度在反映光源的基本特性方面是一个更为方便的物理量。光源的光子简并度高，不仅表明光源的单色亮度高，而且由于大量光子处于相同的光量子态，它们具有相同的传播方向、偏振、频率，所以又反映相干性。