光电子学第一章 光与物质相互作用基础.ppt

光电子学第一章光与物质相互作用基础第二讲 湖南大学物理与微电子科学学院 王玲玲2016年03月 物理与微电子科学学院 SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience 第一讲要点回顾 麦克斯韦方程导出波动方程 世界上最伟大十个公式 为什么光波是电磁波 光与物质相互作用基础 1 1 6谱线形状和宽度 1 5自发辐射 受激吸收和受激辐射 1 4黑体辐射 1 2物质的微观结构与能量状态 1 7均匀加宽和非均匀加宽 1 8辐射的经典理论 1 1光的波动理论与光子学说 1 3热辐射的一般概念 第二讲要点 定义 物体T 0K产生辐射 热辐射 T辐射 热辐射 物体以EM波发射能量 物体辐射源 物体接受辐射的EM电磁波 物质对EM波发射和吸收 热辐射理论 辐射包括 EM波 能量分布与T相关 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me EM辐射通过区域任时刻辐射能 单位体积辐射能 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me 单位 J m 3 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 辐射源单位t通过某面积辐射能 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me 单位W或J s 1 辐射能流单位 e总辐射通量 辐射功率 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 物体表面单位面积辐射通量 发射本领 辐射通量密度 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me A面积 单位W m 2 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 辐射源某方向单位立体角辐射通量 A R2 立体角 A与R 某面元面积 R点源至某面元距离 有方向 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me 各向同性点辐射源 Ie e 4 单位W sr 1 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 面辐射源某方向单位投影表面单位立体角辐射通量 面元法线与辐射向夹角 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me Le方向性 辐射源 Le 与 无关 朗伯源 余弦辐射体 朗伯源辐射强度I I0cos 0 Le L0 L0 0亮度 单位W m 2 sr 1 球面度 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 单位受光面积接收辐射通量 上六个量未涉及辐射频谱 A受光面积 单位W m 2 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me 辐射场不同EM波组成 辐射场特性 与单一 有关物理量 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 EM波辐射通过区域单位体积 d 辐射能 与辐射能量密度关系 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 物体表面发 d 辐射通量 与辐射通量关系 物体表面发 d 辐射出射度 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me 与辐射出射度关系 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 辐射源 发 d 辐射强度 与辐射强度关系 面辐射源 发 d 辐射亮度 1 辐射能量密度we2 辐射通量 e3 辐射出射度Me 4 辐射强度Ie5 辐射亮度Le6 辐射照度Ee 10 单色辐射强度Ie 11 单色辐射亮度Le 三 光度量四 基尔霍夫定律 7 单色辐射能量密度we 8 单色辐射通量 e 9 单色辐射出射度Me 与辐射亮度关系 可微分定义 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 人眼视觉细胞光探测装置 不同 辐射不同响应 同辐射通亮照眼睛 不同亮暗觉 反映视觉亮暗特性 光度量体系 光辐射度量 下标e 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 光度量v Qv v Mv Ev Iv Lv 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 两度量转换 描述辐射度量与光度量关系 同 测光与辐射通量比 K 单位lm W v 光度量e 光辐射量 1 光谱光视效能2 光谱光视效率 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 3 光视效能 某 光谱光视效能与最大光谱光视效能Km比 V 1 光谱光视效能2 光谱光视效率 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 3 光视效能 Km 555nm光谱光视效能 Km 683lm W 1 V 视见函数 或 1 眼睛生理特点 响应白天和夜晚有别 眼睛 白天响应峰550nm 1 夜间响应偏短 峰 500nm 2 夜晚白天 V 1 550nm V 0 323 500nm 1 光谱光视效能2 光谱光视效率 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 3 光视效能 光谱光视效率 明和暗视觉响应曲线 辐射体发 光通量与辐射通量比 1 光谱光视效能2 光谱光视效率 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 3 光视效能 吸收与总入射能比 光谱吸收比 吸收系数 T 反射与总入射能比 反射比 反射系数 T T T 1 1 3 15 德国物理学家 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 物体发射EM波 对外EM波 可吸收 反射和透射 对不透明物体 只吸收和反射 T d 辐射 单色吸收比和单色反射比随物体或表面不同 基尔霍夫1860发现 物体辐射出射度与光谱吸收比关系 研究普适恒量对了解辐射有意义 研究绝对黑体辐射律解决 一 热辐射现象二 描述辐射场的物理量 三 光度量四 基尔霍夫定律 单色辐射出射度Me T 大 吸收系数 T 大 比Me T T 与物体性质无关 T 定 如 多物体互作用热平衡 任 Me T T 不变 光与物质相互作用基础 1 1 6谱线形状和宽度 1 5自发辐射 受激吸收和受激辐射 1 3热辐射的一般概念 1 2物质的微观结构与能量状态 1 7均匀加宽和非均匀加宽 1 8辐射的经典理论 1 1光的波动理论与光子学说 1 4黑体辐射 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 绝对黑体 任T把照其上任 辐射全吸收 T 1 物体 理想模型 开小孔腔热辐射 腔辐射黑体特征 腔把进入辐射能全吸收 T 1 光波导原理 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 腔壁加热 恒温 小孔射出辐射相当从面积 小孔孔面 T绝对黑体表面射出T 记辐射 单色辐出度 得绝对黑体单色辐出度按 分布曲线 Me B T 1 斯忒藩 波耳兹曼定律2 维恩位移定律 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 3 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律 每曲线同T 单辐度按 分布 热力学理论得实验定律 黑体辐出度Me B T 与T4成正比 斯忒藩常数 波尔兹曼1844 1906奥地利物理学家 斯忒藩1835 1893奥地利物理学家 1 斯忒藩 波耳兹曼定律2 维恩位移定律 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 3 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律 斯忒藩 波耳兹曼定律每曲线有Me B T 最大值 m 与T关系 1 斯忒藩 波耳兹曼定律2 维恩位移定律 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 3 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律 T m小 辐射能高 移 不同T m b维恩常数 1 斯忒藩 波耳兹曼定律2 维恩位移定律 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 3 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律 光谱辐射亮度L 维恩位移定律 原M 绝对黑体总辐出度与T关系 曲线面积 斯忒藩 波耳兹曼定律 维恩位移定律 绝对黑体辐出度分布曲线峰定律 1 斯忒藩 波耳兹曼定律2 维恩位移定律 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 3 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律 绝对黑体辐出度峰Me B m T 与T5成正比 三定律 峰 与T关系 峰 对应辐出度峰与T关系 不由热力学得出 气体分子辐射 只与速度有关 黑体辐射实验曲线求表达式 物理学家得 1 维恩公式2 瑞利 金斯公式 得维恩公式 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 维恩热力学证明黑体辐射谱 常数 与实验比 高频符合好 低频偏离 不能反映辐射律 含振子动能和势能 经典统计 辐射w按 分布实验 实 和瑞利 金斯式算曲线 虚 1 维恩公式2 瑞利 金斯公式 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 金斯1877 1946英国物理学家 瑞利1842 1919英国物理学家 瑞利按EM理论 黑体Me B T 与腔EM场能密度w T 关系 w T 与带电振子能量关系 瑞利 金斯式 曲线与实验比 长波符合好 短波有误 能量随 变短趋无穷谬论 1 4 6 不能反映辐射律 著名紫外灾难 经典物理无法解释黑体辐射律 1900普朗克设 辐射能不连续 能量子假设 黑体辐射单色辐出度 长波 普朗克变瑞利 金斯公式 普朗克式反映黑体辐射律 三公式关系 k 1 381 10 23J Kh 6 626 10 34J s 黑体辐射能密度 Me B T 与w T 关系 一 空腔热辐射二 黑体辐射的实验规律 三 维恩公式和瑞利 金斯公式四 普朗克公式 光与物质相互作用基础 1 1 6谱线形状和宽度 1 4黑体辐射 1 3热辐射的一般概念 1 2物质的微观结构与能量状态 1 7均匀加宽和非均匀加宽 1 8辐射的经典理论 1 1光的波动理论与光子学说 1 5自发辐射 受激吸收和受激辐射 概念 注概念及区别 物质原子 分子和离子微观粒子组成 每粒子一定能态 由量子力学 粒子占分立能级 热平衡 粒子低能态 受激励 粒子高能态 一能态变另能态 跃迁 a 不吸收和发射光子 无辐射跃迁 碰 热量传递状态变 不属光电子学内容 b 物质与光互作用 辐射跃迁 原子能级变 吸收和发射光实现 三种 自发辐射受激吸收受激辐射 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 发能h 光子 A21 爱因斯坦自发辐射系数 E2粒子单位t自发跃迁几率 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 原子高E2停短t自发向低E1跃迁 a 自发跃迁几率A21 单位t E2能级n2粒子中自发跃迁粒子与n2比 E2能级下E1 dt 高E2自发辐射跃迁到低E1粒子dn21 A21 得 E2粒子数随t 负 符合跃迁几率选择定则两能级间A21为107 108 s红宝石晶体产生激光Cr离子上下能级A21仅102 s 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 自发跃迁A21原子性质定 外界激励无关 E2只向E1跃迁 自发跃迁高能级原子指数衰减 每粒子跃迁发h 光子 辐射功率 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 自发辐射 某刻 粒子数 t 0辐射功率 自发辐射强度外界激励停 指数律衰减 自发辐射发荧光 普通光 区别激光 荧光 香灯发光 范围都可 萤火虫夜晚发光亮 古瓷画面 日久空气流动磨损及气温影响 釉面分子散失 成玉似脂光泽 莹光 或 酥光 矿石白天吸光 自身散发光莹光 夜明珠 荧光与激光区别 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 激光 单色强 特 受激发射光扩大 表制造激光过程 单色辐射w 照射 单位体积E1跃到E2粒子 外辐射场含 E2 E1 h电磁波 低E1粒子受光子激发 跃迁到高E2 受激吸收 b 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 爱因斯坦受激吸收系数B12 如 仿自发辐射 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 W12意义 单位t单色辐射w 光照 受激吸收E1跃到E2粒子与E1总粒子比 理解 每处E1粒子w 光照单位t受激吸收几率 受激吸收与原子性质 外辐射场有关 A21原子性质定 外激励无关 爱因斯坦量子理论 辐射场照物质粒子高能级E2 受激辐射 外来 入射光激发 E2粒子回E1 放h 光子 c 光子 振动方向 相位与外来光子一致 激光奠定理论 外辐射场作用物质 与受激吸收反 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 仿受激吸收 W21 单位t单色辐射w 光照 受激辐射高E2跃E1粒子与E2总粒子比 E2粒子单位t受激发射几率 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 B21爱因斯坦受激辐射系数 腔内粒子满足波尔兹曼分布律 T空腔 辐射场与物质平衡 三种辐射存在 一 自发辐射二 受激吸收 三 受激辐射四 A21 B12和B21的关系 五 受激辐射与自发辐射的区别 腔内辐射场热平衡黑体辐射普朗克式 g1 g2是E1 E2微观量子态数 能级简并度 热平衡E1 E2粒子不断变 n2 n1 不变 或 1 5 8 和 1 5 10 辐射场单色辐射能量密度 一 自发辐射二 受激吸收 三 受