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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 材料区 » 功能材料 » 光学材料 » 【求助】更新：两束电磁波叠加成一束电磁波时能量问题？（20金币）
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yitianjian

木虫 (正式写手)

[交流] 【求助】更新：两束电磁波叠加成一束电磁波时能量问题？（20金币）

两束一摸一样的激光脉冲，（频率相同，相位差为0）同时发射，合并成一束激光，其场振幅E增加2倍，强度I增加四倍，焦班应该和单个脉冲焦班相同，脉宽和单个激光脉冲应该相同，最后计算得到的能量是两束单个激光脉冲的能量之和的2倍。显然不符合能量守恒。

那么问题出在哪？请赐教。谢谢。

P.S.：1.两束都是圆偏振激光，可以用Mach-zender干涉仪将一束强度为2I的激光分为两束强度为I的激光，这是完全可以做到的，关键是这两束激光通过光学无相差叠加时，导致合成后的激光强度成为4I。不符合能量守恒，那么多余的能量哪里来的？通过查看教科书和文献，发现这是个老问题，很多学术文章在讨论叠加和能量守恒到底是不是一致的问题。

2.如果相差半个周期，那么在光学叠加的时候，由于相消干涉，导致没光，光子不可能湮灭。那么能量哪里去了。在研究机械波的时候，叠加形成驻波，这样，能量解释为储存在势能上，不能传播。那么对于电磁波形成的驻波怎么解释？难道是电磁势能？

3. 叠加前的振幅对应的光子数目和合成后振幅对应的光子数目的相差一倍。问题的实质是光的量子性（总光子数不变，能量守恒）用波动性（叠加原理）解释。或者怎么解释才能相容。波动性认为相同频率的激光叠加后频率不变。




4.见上图， 这种解释是"我的题设在试验中不存在"，因为有相干抵消存在，这样总的激光能量守恒，貌似没有问题。问题是---为什么相消叠加时能量为0了，见图中D2。光子数目又不变跑，为什么能量为0？能量哪去了？

5.有人说这种情况不存在，因为实验做不到。好，普通的干涉总存在吧。我从激光器连
续发射2束激光脉冲，让他们部分相长叠加，也就是说脉冲延迟小于脉宽，那么重叠部
分会相干叠加，这是可以做到的，请问此时能量守恒不守恒？！

6.有人说不能只取增强的部分看，应该在一个激光周期内平均。我通过粒子模拟（PIC
程序，做等离子体物理的晓得，基于麦克斯韦方程组），发现强度为I的两束激光相干
叠加后的激光和一束强度为4I的激光波形，强度一样，打在等离子体上产生的结果一样
。换句话说，激光强度确实增强了。这怎么解释？



-------------------------------------------------------------------------------------------
目前，综合大家的回复，我也请教了相关领域的教授，基本赞同neveruse的解释。具体就是说：
1.对于两束完全相同的激光完全叠加，此时形成（不是合成了）的激光不是两束激光的简单叠加，而是一束激光，但是这样一束激光的能量你要计算的话，确实是原始单束激光能量的4倍。这样的激光只能从激光器中发射，故能量来自于激光器。
也就是说原始的两束激光和形成的激光不是一个系统了。此时我们的系统还应该包括激光器。这样，总体能量是守恒的。

2.对于部分无相差叠加的情况，也类似，再叠加的部分，无疑，能量增加了，导致这样“形成”的激光能量也大于原始两束激光能量之和，原因和1类似，因为这样部分叠加的激光是从激光器中打出来的一束激光，多余的激光还是来自激光器。

3.对于部分人说积分问题，我觉得我这里讨论的是完全叠加，或者部分完全叠加的情况，每一个点的相差都为0，所以貌似没有积分的问题。


现在还有一个问题。针对1，如果“形成”的激光能量增加了，根据量子守恒，光子数目不变，频率不变，为什么后来的激光能量高了，是不是频率变了？我还是有点糊涂。请指教。

[ Last edited by yitianjian on 2010-12-13 at 19:37 ]
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1楼 2010-12-07 19:23:39
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yitianjian

木虫 (正式写手)
为啥不会相干呢，因为频率相同，相位差为0.
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3楼2010-12-07 21:00:04
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lzl8181

铁杆木虫 (著名写手)
yitianjian(金币+5): 2010-12-07 23:52:07
"两束一摸一样的激光脉冲，（频率相同，相位差为0）同时发射，合并成一束激光，其场振幅E增加2倍，强度I增加四倍",这时楼主考虑的是纯粹相干加强时明纹的强度，而实际上不一定相干；
“最后计算得到的能量是两束单个激光脉冲的能量之和的2倍”这估计是非相干叠加的结果。
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2楼2010-12-07 20:52:36
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lzl8181

铁杆木虫 (著名写手)
yitianjian(金币+3): 2010-12-07 23:52:19
这很难说，振动方向完全一样吗，相干长度很长吗？我只知道连续光激光器发出的光自身的相干性很好，而两个同样的连续光激光器就实验中就很难定相干，何况是脉冲的。
再者强度和能量是两码事儿，强度乘面积是功率才对应能量，即使加强的地方强度是原来的四倍，那些减弱的地方呢？
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4楼2010-12-07 21:14:30
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yitianjian

木虫 (正式写手)
引用回帖:
Originally posted by lzl8181 at 2010-12-07 21:14:30:
这很难说，振动方向完全一样吗，相干长度很长吗？我只知道连续光激光器发出的光自身的相干性很好，而两个同样的连续光激光器就实验中就很难定相干，何况是脉冲的。
再者强度和能量是两码事儿，强度乘面积是功率才 ...

两束激光脉冲都是圆极化激光。如果参数一样，相差0，那么就应该是相长相干。成为一束场强为两倍的激光脉冲。至于能量，因为焦班不变，脉宽不变，能量将正比如激光强度。

其实问题的核心就是：两束相同激光叠加，和一束振幅为其2倍的同频率激光，有何却别。如果没区别，那么能量就不守恒。有区别，区别在哪？

试验中可以将同一激光器产生的激光经过Dezer（音）分为2束相同激光，然后通过延迟，反射，然后叠加在一起。这是可以做到的。如果最初的激光强度为I_0，脉宽为tau,那么分开后，每一束的强度为0.5I_0,脉宽为tau不变。能量是守恒的。

现在这两个脉冲叠加，为什么得不到最初的激光了呢？因为合起来的激光强度变为2I_0.


请指教。谢谢

[ Last edited by yitianjian on 2010-12-7 at 21:27 ]
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5楼2010-12-07 21:22:07
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