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求解空腔V内的模式数

(2010-12-28 00:33:53)
标签:

激光科技

  我已经看完了《激光原理》,本来想要待融会贯通后再写些博文,今天发现《激光原理》里推导求解空腔V内的模式数中的一些内容阐述混沌,有微小的错误。下面我就把我的推导、分析过程写出来,供大家参考。
  下面求解空腔V内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体,则沿三个坐标轴方向传播的波分别满足的驻波的条件为:

                        Δx=mλ/2,Δy=nλ/2,Δz=qλ/2

式中m、n、q为正整数。而波矢k的三个分量满足条件:

                        Kx=(∏/Δx)*m,Ky=(∏/Δy)*n,Kz=(∏/Δz)*q

每一组正整数m、n、q对应腔内一种模式(包含两个偏振)。
  如果在以Kx、Ky、Kz为轴的直角坐标系中,则每个模对应波矢空间的一点。每一个模式在三个坐标轴方向与相邻模的间隔为:

                        ΔKx=∏/Δx,ΔKy=∏/Δy,ΔKz=∏/Δz,

因此,每个模式在波矢空间占有一个体积元:

                        ΔKxΔKyΔKz=∏³/ΔxΔyΔz=∏³/V                                  (1)
                                            
  在k空间里,设k空间的体积用Vk表示,波矢绝对值处于|k|---|k|+d|k|的k空间的体积Vk的微分表达式为:

                        dVk=(1/8)*4∏|k|²*d|k|

  设模式数用P来表示,在此体积内的模式数的微分表达式为:

                        dP=(1/8)*4∏|k|²*d|k|*(V/∏³)
                  
  把|k|=2∏/λ=2∏ν/c和d|k|=(2∏/c)*dν代入上式,在考虑到对应同一个k有两种不同的偏振,上述模式数应乘2,于是得到微分表达式:

                        dP=(8∏ν²/c³)Vdν                                              (2)

  这就是我们所求的结果,就是模式和频率的函数关系,可以认为在频率ν处(即在以频率ν为中心的附近的单位频宽)的模式数为:(8∏ν²/c³)V,在ν附近的无穷小量dν宽度的微分表达式就是(2)。只要按需要进行积分就可以了。

  在大学教材《激光原理》里从(1)后阐述得很混沌,而且认为在频率ν附近频带dν内的模式数为:

                       P=(8∏ν²/c³)Vdν

按照严格的高等数学要求写成这样的形式是错误的,因为等号左边表示的是一个实数,而右边却是一个无穷小量(指dν→0时),这是不能相等的。另外只有把P换成dP才是正确的,因为dP表示的是对应频带dν的模式数P的增量的主部,也是无穷小量。严格的讲,频带dν内的模式数不为:
                      
                       P=(8∏ν²/c³)Vdν

欢迎大家一起来讨论,请在科技上给予批评和指正,多商讨。

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