Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

172

Optics

 

 

8.7Coherence (scalar theory)

Mutual

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t)ψ (t+ τ)

 

 

 

 

coherence

 

Γ12(τ) =

 

ψ

1

 

 

 

(8.97)

function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

1

(t)ψ (t+ τ)

 

 

 

γ12(τ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

(8.98)

Complex degree

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[|ψ1|

|ψ2|

]

 

 

of coherence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Γ12(τ)

 

 

 

 

 

 

(8.99)

 

 

 

 

 

11(0)Γ22(0)]1/2

 

Combined

 

Itot = I1 + I2 + 2(I1I2)

1/2

[γ12

(τ)]

intensitya

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.100)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fringe visibility

 

 

 

 

 

2(I1I2)1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|γ12(τ)|

(8.101)

V (τ) =

 

 

 

I1 + I2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

if |γ12(τ)| is a

V =

Imax Imin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.102)

constant:

 

Imax + Imin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

if I1 = I2:

V (τ) = |γ12(τ)|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.103)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

1

(t)ψ (t+ τ)

 

 

 

 

 

Complex degree

γ(τ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.104)

 

 

 

 

|ψ1(t)2|

 

 

 

 

 

 

of temporal

 

= %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

I(ω)e−iωτ dω

 

 

 

 

(8.105)

coherence

 

 

 

 

 

 

 

 

I(ω) dω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Coherence time

τc =

lc

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.106)

and length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

1

ψ

 

 

 

 

 

 

 

Complex degree

γ(D) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

(8.107)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

of spatial

 

 

 

 

 

 

[|ψ1|2 |ψ2|2 ]1/2

 

c

 

 

= %

I(sˆ)eikD sˆ dΩ

 

 

 

 

(8.108)

coherence

 

 

 

 

 

 

 

I(sˆ) dΩ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Intensity

d

 

I1I2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1 + γ2(D)

(8.109)

correlation

 

2

 

 

 

1/2

 

[ I1

2

I2

]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Speckle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

intensity

 

pr(I) =

 

 

 

 

 

 

eI/ I

 

 

 

 

 

 

(8.110)

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

distributione

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Speckle size

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(coherence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

wc α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.111)

width)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Γij mutual coherence function

τtemporal interval

ψi (complex) wave disturbance at spatial point i

ttime

·

mean over time

γij

complex degree of coherence

complex conjugate

Itot

combined intensity

Ii

intensity of disturbance at

 

point i

real part of

Imax max. combined intensity

Imin min. combined intensity

γ(τ) degree of temporal coherence

I(ω) specific intensity

ωradiation angular frequency

cspeed of light

τc coherence time ∆lc coherence length

ν spectral bandwidth

γ(D) degree of spatial coherence

Dspatial separation of points 1 and 2

I(sˆ) specific intensity of distant extended source in direction sˆ

dΩ di erential solid angle

sˆ unit vector in the direction of dΩ

kwavenumber

pr probability density

wc characteristic speckle size

λwavelength

αsource angular size as seen from the screen

aFrom interfering the disturbances at points 1 and 2 with a relative delay τ. bOr “autocorrelation function.”

cBetween two points on a wavefront, separated by D. The integral is over the entire extended source.

dFor wave disturbances that have a Gaussian probability distribution in amplitude. This is “Gaussian light” such as from a thermal source.

eAlso for Gaussian light.

8.8 Line radiation

173

 

 

8.8 Line radiation

Spectral line broadening

Natural

I(ω) =

 

 

 

 

(2πτ)−1

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.112)

broadeninga

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2τ)−2 + (ω ω0)2

 

 

 

 

 

Natural

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.113)

half-width

ω =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2τ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Collision

I(ω) =

 

 

 

 

(πτc)−1

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.114)

broadening

(τc)−2 + (ω ω0)2

 

 

 

 

 

 

 

Collision and

 

1

 

 

 

 

 

 

πmkT

 

 

 

−1/2

 

 

 

 

 

 

 

pressure

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω = τc

= pπd

 

 

16

 

 

 

 

 

 

(8.115)

half-widthc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mc2

1/2

 

2

(

ω

ω

0)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Doppler

I(ω) =

 

 

 

 

 

 

exp

mc

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

broadening

 

2kT ω0 π

 

 

2kT

 

 

ω0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.116)

Doppler

 

 

 

 

 

 

kT ln2 1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

half-width

ω = ω0

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.117)

mc2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I(ω) normalised intensityb

τlifetime of excited state

ωangular frequency (= 2πν)

ω half-width at half-power

ω0 centre frequency

τc mean time between collisions

ppressure

de ective atomic diameter

mgas particle mass

kBoltzmann constant

Ttemperature

cspeed of light

I(ω)

ω

ω0

aThe transition probability per unit time for the state is = 1. In the classical limit of a damped oscillator, the

e-folding time of the electric field is 2τ. Both the natural and collision profiles described here are Lorentzian.

%

bThe intensity spectra are normalised so that I(ω) dω = 1, assuming ∆ω/ω0 1.

cThe pressure-broadening relation combines Equations (5.78), (5.86) and (5.89) and assumes an otherwise perfect gas of finite-sized atoms. More accurate expressions are considerably more complicated.

Einstein coe cientsa

Absorption

 

R12 = B12Iν n1

(8.118)

Rij

transition rate, level i j (m−3 s−1)

 

 

 

 

 

Bij

Einstein B coe cients

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iν

specific intensity of radiation field

 

Spontaneous

R21

= A21n2

 

(8.119)

A21

Einstein A coe cient

 

 

 

ni

number density of atoms in quantum

 

 

emission

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

level i (m−3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stimulated

 

R21 = B21Iν n2

(8.120)

 

 

 

 

emission

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A21

=

 

23

 

g1

(8.121)

h

Planck constant

 

 

Coe cient

 

 

B12

 

c2

g2

ν

frequency

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ratios

 

 

 

 

B21

g1

 

 

c

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

(8.122)

gi

degeneracy of ith level

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B12

g2

 

 

 

aNote that the coe cients can also be defined in terms of spectral energy density, uν = 4πIν /c rather than Iν . In this

 

case

A21

=

8πhν3

g1

. See also Population densities on page 116.

 

 

 

 

B12

 

c3

g2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

174 Optics

Lasersa

R1

R2

 

r1

light out

L r2

Cavity stability

0 ≤

 

1 −

L

1

L

 

1 (8.123)

condition

 

 

 

 

 

 

r1

r2

 

Longitudinal

νn =

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.124)

cavity modesb

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =

 

2πL(R1R2)1/4

 

 

 

(8.125)

Cavity Q

λ[1 − (R1R2)1/2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4πL

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.126)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ(1

R1R2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cavity line

νc =

 

νn

 

= 1/(2πτc)

 

 

(8.127)

width

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schawlow–

ν

 

 

2πh(∆νc)2

 

 

 

 

glNu

Townes line

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

νn

 

 

 

 

 

 

P

 

 

glNu

guNl

width

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.128)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Threshold

R1R2 exp[2(αβ)L] > 1

(8.129)

lasing condition

r1,2 radii of curvature of end-mirrors

Ldistance between mirror centres

νn mode frequency

ninteger

cspeed of light

Qquality factor

R1,2

mirror (power) reflectances

λ

wavelength

νc

cavity line width (FWHP)

τc

cavity photon lifetime

ν

line width (FWHP)

Plaser power

gu,l

degeneracy of upper/lower levels

Nu,l

number density of upper/lower

 

levels

αgain per unit length of medium

βloss per unit length of medium

aAlso see the Fabry-Perot etalon on page 163. Note that “cavity” refers to the empty cavity, with no lasing medium present.

bThe mode spacing equals the cavity free spectral range.