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yitianjian

木蟲(chóng) (正式寫(xiě)手)

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[交流] 【求助】更新：兩束電磁波疊加成一束電磁波時(shí)能量問(wèn)題？（20金幣）

兩束一摸一樣的激光脈沖，（頻率相同，相位差為0）同時(shí)發(fā)射，合并成一束激光，其場(chǎng)振幅E增加2倍，強(qiáng)度I增加四倍，焦班應(yīng)該和單個(gè)脈沖焦班相同，脈寬和單個(gè)激光脈沖應(yīng)該相同，最后計(jì)算得到的能量是兩束單個(gè)激光脈沖的能量之和的2倍。顯然不符合能量守恒。

那么問(wèn)題出在哪？請(qǐng)賜教。謝謝。

P.S.：1.兩束都是圓偏振激光，可以用Mach-zender干涉儀將一束強(qiáng)度為2I的激光分為兩束強(qiáng)度為I的激光，這是完全可以做到的，關(guān)鍵是這兩束激光通過(guò)光學(xué)無(wú)相差疊加時(shí)，導(dǎo)致合成后的激光強(qiáng)度成為4I。不符合能量守恒，那么多余的能量哪里來(lái)的？通過(guò)查看教科書(shū)和文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這是個(gè)老問(wèn)題，很多學(xué)術(shù)文章在討論疊加和能量守恒到底是不是一致的問(wèn)題。

2.如果相差半個(gè)周期，那么在光學(xué)疊加的時(shí)候，由于相消干涉，導(dǎo)致沒(méi)光，光子不可能湮滅。那么能量哪里去了。在研究機(jī)械波的時(shí)候，疊加形成駐波，這樣，能量解釋為儲(chǔ)存在勢(shì)能上，不能傳播。那么對(duì)于電磁波形成的駐波怎么解釋？難道是電磁勢(shì)能？

3. 疊加前的振幅對(duì)應(yīng)的光子數(shù)目和合成后振幅對(duì)應(yīng)的光子數(shù)目的相差一倍。問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是光的量子性（總光子數(shù)不變，能量守恒）用波動(dòng)性（疊加原理）解釋。或者怎么解釋才能相容。波動(dòng)性認(rèn)為相同頻率的激光疊加后頻率不變。

4.見(jiàn)上圖，這種解釋是"我的題設(shè)在試驗(yàn)中不存在"，因?yàn)橛邢喔傻窒嬖�，這樣總的激光能量守恒，貌似沒(méi)有問(wèn)題。問(wèn)題是---為什么相消疊加時(shí)能量為0了，見(jiàn)圖中D2。光子數(shù)目又不變跑，為什么能量為0？能量哪去了？

5.有人說(shuō)這種情況不存在，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)做不到。好，普通的干涉總存在吧。我從激光器連
續(xù)發(fā)射2束激光脈沖，讓他們部分相長(zhǎng)疊加，也就是說(shuō)脈沖延遲小于脈寬，那么重疊部
分會(huì)相干疊加，這是可以做到的，請(qǐng)問(wèn)此時(shí)能量守恒不守恒？！

6.有人說(shuō)不能只取增強(qiáng)的部分看，應(yīng)該在一個(gè)激光周期內(nèi)平均。我通過(guò)粒子模擬（PIC
程序，做等離子體物理的曉得，基于麥克斯韋方程組），發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度為I的兩束激光相干
疊加后的激光和一束強(qiáng)度為4I的激光波形，強(qiáng)度一樣，打在等離子體上產(chǎn)生的結(jié)果一樣
。換句話說(shuō)，激光強(qiáng)度確實(shí)增強(qiáng)了。這怎么解釋？

-------------------------------------------------------------------------------------------
目前，綜合大家的回復(fù)，我也請(qǐng)教了相關(guān)領(lǐng)域的教授，基本贊同neveruse的解釋。具體就是說(shuō)：
1.對(duì)于兩束完全相同的激光完全疊加，此時(shí)形成（不是合成了）的激光不是兩束激光的簡(jiǎn)單疊加，而是一束激光，但是這樣一束激光的能量你要計(jì)算的話，確實(shí)是原始單束激光能量的4倍。這樣的激光只能從激光器中發(fā)射，故能量來(lái)自于激光器。
也就是說(shuō)原始的兩束激光和形成的激光不是一個(gè)系統(tǒng)了。此時(shí)我們的系統(tǒng)還應(yīng)該包括激光器。這樣，總體能量是守恒的。

2.對(duì)于部分無(wú)相差疊加的情況，也類似，再疊加的部分，無(wú)疑，能量增加了，導(dǎo)致這樣“形成”的激光能量也大于原始兩束激光能量之和，原因和1類似，因?yàn)檫@樣部分疊加的激光是從激光器中打出來(lái)的一束激光，多余的激光還是來(lái)自激光器。

3.對(duì)于部分人說(shuō)積分問(wèn)題，我覺(jué)得我這里討論的是完全疊加，或者部分完全疊加的情況，每一個(gè)點(diǎn)的相差都為0，所以貌似沒(méi)有積分的問(wèn)題。

現(xiàn)在還有一個(gè)問(wèn)題。針對(duì)1，如果“形成”的激光能量增加了，根據(jù)量子守恒，光子數(shù)目不變，頻率不變，為什么后來(lái)的激光能量高了，是不是頻率變了？我還是有點(diǎn)糊涂。請(qǐng)指教。

[ Last edited by yitianjian on 2010-12-13 at 19:37 ]

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1樓 2010-12-07 19:23:39

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bring4444

木蟲(chóng) (小有名氣)

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yitianjian(金幣+1): 2010-12-08 18:43:00

這兩束激光是同一個(gè)激光器發(fā)出射出的還是不同激光器發(fā)射的，如果是不同激光器發(fā)射的，兩束脈沖要想達(dá)到嚴(yán)格一模一樣還是有些困難的吧

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9樓2010-12-08 08:16:18

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lzl8181

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yitianjian(金幣+5): 2010-12-07 23:52:07

"兩束一摸一樣的激光脈沖，（頻率相同，相位差為0）同時(shí)發(fā)射，合并成一束激光，其場(chǎng)振幅E增加2倍，強(qiáng)度I增加四倍",這時(shí)樓主考慮的是純粹相干加強(qiáng)時(shí)明紋的強(qiáng)度，而實(shí)際上不一定相干；
“最后計(jì)算得到的能量是兩束單個(gè)激光脈沖的能量之和的2倍”這估計(jì)是非相干疊加的結(jié)果。

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2樓2010-12-07 20:52:36

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yitianjian

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為啥不會(huì)相干呢，因?yàn)轭l率相同，相位差為0.

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3樓2010-12-07 21:00:04

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yitianjian(金幣+3): 2010-12-07 23:52:19

這很難說(shuō)，振動(dòng)方向完全一樣嗎，相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)嗎？我只知道連續(xù)光激光器發(fā)出的光自身的相干性很好，而兩個(gè)同樣的連續(xù)光激光器就實(shí)驗(yàn)中就很難定相干，何況是脈沖的。
再者強(qiáng)度和能量是兩碼事兒，強(qiáng)度乘面積是功率才對(duì)應(yīng)能量，即使加強(qiáng)的地方強(qiáng)度是原來(lái)的四倍，那些減弱的地方呢？

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4樓2010-12-07 21:14:30

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