光电子学 (第一章1)

1、 光电子学基础 第一章 光与物质相互作用基础 第一讲 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School of Physics and MicroelectronicsScience王玲玲王玲玲 QQ：512897575 办公室：知新楼办公室：知新楼 203 课程网址：课程网址：http:/ 二、前 言 第一章 光与物质相互作用基础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 1-3 热辐射的一般概念 1-2 物质的微观结构与能量状态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

2、光的波动理论与光子学说光的波动理论与光子学说 2-3 介子中的增益饱和与烧孔效应介子中的增益饱和与烧孔效应 2-2 光在介质中的小信号增益光在介质中的小信号增益 2-1 粒子数的反转分布粒子数的反转分布 第二章 介质中的光增益一、讲授内容（2）二、前 言 第三章 激光振荡与工作特性一、讲授内容（3）二、前 言 3-5 激光的横模及高斯光束 3-4 激光的纵模与频率特性 3-3 激光产生的阈值条件激光产生的阈值条件 3-2 光学谐振腔光学谐振腔 3-1 激光的特性激光的特性 3-6 连续激光器的输出功率与最佳透过率 4-7 光纤损耗与色散 4-6 光纤中电磁波模式理论 4-4 矩形介质波导基本概

3、念 4-3 平板波导的电磁理论 4-2 介质平板光波导的射线分析方法 4-1 光在介质分界面上的反射与折射光在介质分界面上的反射与折射 4-8 光波导装置与应用光波导装置与应用 4-5 光纤中的射线分析（上、下）光纤中的射线分析（上、下） 第四章 光辐射在介质波导中的传播一、讲授内容（4）二、前 言 5-4 光辐射的探测方法 5-3 光辐射探测过程中的噪声 5-2 光探测的基本物理效应 5-1 物质中的光吸收物质中的光吸收 第五章 光辐射的探测 一、讲授内容（5）二、前 言 6-4 倍频和混频 6-3 位相匹配 6-5 光参量放大与振荡 6-6 受激散射 6-1 非线性光学的物理基础 6-2

4、非线性介质中的电磁波传播方程 第五章 非线性光学 一、讲授内容（6）二、前 言 光与物质相互作用基础 11-6 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 1-3 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光的波动理论与光子学说第一讲要点 回顾麦克斯韦方程； 麦氏方程导出波动方程; 解波动方程; 电磁波性质; 介绍课程内容物质微观结构与能量关系 1 3 2 光电子学教程 张季熊 编著 华南理工大学出版社 2005年1月第1版第3次印刷光电子学原理应用 王雨三、张中华、林殿阳

5、 编著 哈尔滨工业大学出版社, 2005年5月第2版 2005年5月第3次印刷 教 材 参考书 一、讲授内容 二、前二、前 言言 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 教材及参考书 光电子技术 基础: 各种技术基本规律各种技术基本规律 光电子学与光电子技术 傅立叶光学 激光与红外物理学 非线性光学 强光光学效应电 光 效 应磁 光 效 应弹（声）光效应半导体光电子学 光电转换效应发 光 效 应非线性光学效应导

6、波光学 非线性光学效应介质导波效应光电子学 混频移频锁模调激光Q 光载波源 复用传感调制偏转开关光信号加载 反馈中继偏振隔离耦合波导光信号传输 存储全息滤波共轭频谱卷积相关逻辑延迟放大补偿整形解调光信号处理 探测显示光信号接收 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 光源传输调制探测成像显示光电子技术 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态

7、 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 按信息传递的各个环节划分1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 新型光学和光电子器件光学与电子学结合光电子学研究光与研究光与物质相互作用物质相互作用新兴学新兴学科，科，电子技术在光频电子技术在光频

8、波段延续与发展。波段延续与发展。 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 研究光（相干光）研究光（相干光）产生，传输，控制产生，传输，控制和探测技术。和探测技术。 定义定义 课程做到： 1p 基础知识传授： p 物理概念及物理概念及理论方法；理论方法； 2p 理论与实践结合： p 光电子学在光电子学在有关领域应有关领域应用用。 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1

9、-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 出发点： 一完整信息系统包括光载波源，光信号传播，光信号调制，光信号探测与解调。太赫兹科学（太赫兹科学（THzTHz）THz Gap宏观电子学向微观宏观电子学向微观光子学过渡光子学过渡频段频段 所有大分子的所有大分子的转动和振动转动和振动频率频率 电子，信息，生命，国防，航天应用前景 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-

10、4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 狗红外线照片 红外线（红外线（Infrared）：）： 介微波与可见光间EM波，760nm-1mm，比红光长非可见。覆盖物体发热辐射波段。穿透比红光长非可见。覆盖物体发热辐射波段。穿透云雾雾能力比可见能力比可见光强光强红外光，红外光，通讯通讯，探测，探测，医疗医疗，军事用。 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状

11、和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 课程介绍： 1 2 3 4 辐射概念，光产生、传输、探测为线索，阐述： 激光产生原理与特原理与特性、性、 光在介质中传输特性及 光探测原理原理与方法、与方法、非线性光非线性光学；学； 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 注重注重 例例: 太阳能电池太阳能电池 内容内容 介绍光电子学；

12、物理概念， 理论联系实际， 涉光电子学领域。 工作原理，效应： 1. 光热光热 2. 光电光电 3. 光化光化 使学生了解使学生了解 光电子学研究对象 范围及 应用 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 电磁波理论 半导体物理 固体物理 激光物理 先修课程 物理光学 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和

13、受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 3. 激光特性激光特性4. 激光应用 2 3 1 激光基础： 爱因斯坦受受激激 辐射理论辐射理论 第一台激光器发明： 1960梅曼红宝石激光器 激光特性： p 单色性好 p 方向性好 p 亮度高 p 高量子 简并度 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、讲授内容 二、前二、前 言言 1. 激

14、光理论基础激光理论基础2. 第一台激光器发明第一台激光器发明 激光器受激发射放大受激发射放大相干光辐射（激光）。19600707，纽约时报，梅曼世界第一台红宝石激光器，闪光灯光线闪光灯光线照进手指大红宝石晶体，相干脉冲激光束。顶尖实验室争第一发明激光器，其雇主洛杉矶休斯飞机公司胜。 1激光“镭射”，“莱塞”，LASER，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，“受激辐射光放大”。1964钱学森钱学森“光受激发射光受激发射”“激光激光”。 2希尔希尔多梅曼多梅曼 19600517，Ted Maiman（梅曼）发明第一台激光器

15、 固体激光器 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 3. 激光特性激光特性4. 激光应用 一、讲授内容 二、前二、前 言言 1. 激光理论基础激光理论基础2. 第一台激光器发明第一台激光器发明 1 2 3 4 工业加工 军事 医学 存储信息 光通讯 15 核聚变 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激

16、辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 3. 激光特性4. 激光应用激光应用 一、讲授内容 二、前二、前 言言 1. 激光理论基础2. 第一台激光器发明 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 3. 激光特性4. 激光应用激光应用 一、讲授内容 二、前二、前 言言 1. 激光理论基础激光理论基础2. 第一台激光器发明第一台激光器发明 激光束聚焦材料表面熔化，光束与材料沿定轨

17、迹相对运动，形成一定形状切缝； p 金刚石锯片激光焊接成套设备和 p 焊成金刚石锯片 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 工业加工工业加工 军事上应用 医学上应用 3. 激光特性4. 激光应用激光应用 一、讲授内容 二、前二、前 言言 1. 激光理论基础2. 第一台激光器发明 改善和火焰切割切口质量，推广氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。 武器1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构

18、与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 工业加工 军事上应用军事上应用 医学上应用 3. 激光特性4. 激光应用激光应用 一、讲授内容 二、前二、前 言言 1. 激光理论基础2. 第一台激光器发明 雷达 测速 测距 通信敌我识别 制导 穿耳 打孔（治结石） 生命科学 诊断诊断 治疗治疗 龋齿诊断 脱矿，浅龋脱矿，浅龋 隐匿龋隐匿龋 治疗 切割切割 充填物聚合，窝洞处理充填物聚合，窝洞处理 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐

19、射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 工业加工 军事上应用 医学上应用医学上应用 3. 激光特性4. 激光应用激光应用 一、讲授内容 二、前二、前 言言 1. 激光理论基础2. 第一台激光器发明 其出现，强武器，物质世界深入探索，发现新现象，认识新规律 无法以无法以宏观理论宏观理论为基础为基础 微粒微粒或或波动说波动说完善，完善，波粒二象性描述微观世界物质波动特征；光波粒二象性，波动微粒性，光波粒二象性，波动微粒性，光与物质互作用现象及规律光与物质互作用现象及规律深认识深认识 光认识经历 微粒说

20、 纳米电子学波粒二象性 波动说 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 J-I 密度 -电荷密度 总结变化E 产生H，变化H 产生E，描述EM场规律。麦克斯韦方程： 目的：麦克斯韦方程导出波动方程！克斯韦方程导出波动方程！ )411 () 311 (0)211 () 111 (DBtBEtDJH旋度 散度 詹姆斯詹姆斯克拉克克拉克麦克斯韦麦克斯韦 一、光的波动学一、光的波动学说说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程

21、与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 麦克斯韦创立EM波理论，光 短EM波，适光波。 1 电场量 2 磁场量 电场强度E 电位移矢量D 磁感应强度B 磁场强度H 关系: 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 000D d sqBE d ld stB d sDHd lId st 积分形式 一、光的波动学一、光的波动学说说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁

22、波的有关性质 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 10. 圆周长公式圆周长公式 c=2 r 9. 傅立叶变换傅立叶变换8. 德布罗意方程组德布罗意方程组 p=hk, E=h 7. 1+1=26. 薛定谔方程薛定谔方程5. 质能方程质能方程 E0=mc24. 勾股定理勾股定理 / 毕达哥拉斯定理毕达哥拉斯定理 a2+b2=c23. 牛顿第二定律牛顿第二定律 F=ma2. 欧拉公式欧拉公式 ei +1=01.

23、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组世界上最伟大十个公式：世界上最伟大十个公式：一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 u高斯定理：高斯定理： u斯托克斯定律：斯托克斯定律： SdAVdASVSdAldASl高斯定理，斯托克斯定律散度散度 旋度旋度 用到解麦克斯韦方用到解麦克斯韦方程组得波动方程中程组

24、得波动方程中 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 000DBEtBDHjt J-I 密度 散度 -电荷密度 旋度 微分形式微分形式 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与

25、光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 （）随时间变化电场激发涡旋磁场）随时间变化电场激发涡旋磁场 （）电位移矢量或电感应强度）电位移矢量或电感应强度D 散度散度=电荷密度电荷密度 0，电场有源场电场有源场 （） 磁感强度磁感强度B 散度散度0，磁场无源场，磁场无源场 麦克斯韦方程组物理意义 15. 1000tDjHBtBED（）随时间变化磁场激发涡旋电场）随时间变化磁场激发涡旋电场 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程

26、与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 不符合右手法则（负）不符合右手法则（负）tB符合右手法则（正）符合右手法则（正） tD电场与磁场激发 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概

27、念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 电磁波传播 电场电场波源波源磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场电场电场电场电场电场电场)711 ()611 ()511 (EJHBED确定E 和H，了解D 与E, B 与H 关系。 静止线性，各向同性介质： 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说一、光的波动学

28、说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 ）（811tBE）（911)(222tDtJEE(1 1 1)DHJt (1 16)BH ）（211tBE 麦氏方程组 麦氏方程组导出E 或H 变化规律。 求E 微分方程。（1-1-2）E 旋度两边取旋度： (1-1-6)及(1-1-1)带入(1-1-8)： 各向异性，D(1-1-5)带入(1-1-9)。D： 0(1 1 10)DEP P 电极化强度，P 与E 关系： 0(1 1 11)PE (1 1 5)DE 电极化率。(1-1-10)代入(1-1-9)： 222022()(1 1 12)JEPEEtt

29、t EEEEEDr0000)1 (EEE2)(1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 由222022(1 1 13)EPEtt 解E 波动方程（E 满足微分方程）。 假设： 0D0E2341 2 EM波传播（不在源区），J=0, =0 均匀介质极化，束缚体电荷密度 0PP(1-1-12)写成：

30、 (1 1 5)DE 222022()(1 1 12)JEPEEttt 0=0=目的：麦氏方程导出波动方程！麦氏方程导出波动方程！1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 导出 2220(1 1 14)EEt 222022(1 1 13)EPEtt 222210(1 1 15)EEt -E 波动

31、方程 解E 波动方程： 写为： 0(1 1 11)PE 由 0)1 ()()(22222022202002220222222202EtEEtEEtEEEtEPEtEtPtEEr(1-1-15)：v电磁波介质中传播速度12v1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 或 )1 (0(1-1-14)：

32、 (1-1-13)：含P 微商源项，介质极化影响 2220(1116)HHt )411 () 311 (0)211 () 111 (DBtBEtDJH麦氏方程二个E，二个M量。 类似，H 波动方程： )1511 (012222tEE-E波动方程 )1411 (0222tEE1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2.

33、 电磁波的有关性质 界面两侧电场法向分量跃变 电场切向分量连续 磁场切向分量跃变 磁场法向分量连续 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 snnDD21)1711 ()(21sDDnnnBB21)1811 (0)(21BBnttEE21)1911 (0)(21EEnsttJHH21)2011

34、 ()(21sJHHn波动方程与边界条件结合，定EM场分布。边界条件： s, Js 电荷面密度和面I 密度n 法线向t 切线向 s, Js 为0 Dn, Ht 界面连续 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 2220(1116)HHt 2220(1 1 14)EEt (1 1 1)(1 12)0(1 1 3)(1 14)DHJtBEtBD 麦克斯韦方程： 波动方程： 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学

35、说 1. 麦克斯韦方程与波动方程麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质 问题：为什么光波是电磁波？ 1) 麦氏方程推导，电磁波在真空速度麦氏方程推导，电磁波在真空速度 smc800101074.31sm8103 实测真空光速实测真空光速 cv 2) 麦氏方程：电磁波在介质中速度麦氏方程：电磁波在介质中速度 cv （非铁磁质（非铁磁质 =1） ncvvcn折射率折射率 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论

36、 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 如光波是电磁波，比较上两式：ncvcv和n 测测无极分子物质无极分子物质: 计算与测量折射率很好符合；计算与测量折射率很好符合； 测测有极分子物

37、质：有极分子物质： 用光波频值，成立。用光波频值，成立。 平时平时 低频电场测量。低频电场测量。 故麦克斯韦判定，光波电磁波。故麦克斯韦判定，光波电磁波。 麦氏关系麦氏关系太赫兹科学（太赫兹科学（THzTHz）THz Gap所有大分子的所有大分子的转动和振动转动和振动频率频率 E 和H 振动向 光传播向k 平面内 E, H 互 E, H, k 右手螺旋关系 光是横波光是横波 能量密度与能流密度概念 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀

38、加宽 1-8辐射的经典理论 时谐变电磁场概念 电场矢量与磁场矢量关系 平面波极化 光在介质中传播时传播常数 光在自由空间中传播是行波 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 电磁波横波，电磁波横波，E, H 和和K（K 传播向单位矢量）两两传播向单位矢量）两两 HEHE0000 E 和和H 幅度成比例，复角等幅度成比例，复角等 S与w关系：221(1 1 21)21(1 1 22)2emwEwH (1 123)SEH (1 124)Swv mewww1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量

39、状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 光是横波 能量密度与能流密度概念能量密度与能流密度概念 时谐变电磁场概念 电场矢量与磁场矢量关系 平面波极化 光在介质中传播时传播常数 光在自由空间中传播是行波 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 能量密度能量密度(w)：电磁场内单位体积，电磁场内单位体积，电场电场能量密度能量密度(we)与与磁场磁场能量密度能量密度(wm)和和: 能流密度(S)：单位t 通过 光传

40、播方向单位面积能量坡印廷矢量坡印廷矢量 v光（电磁波）电磁波）在介质传播速度 00800113 10/vkcm s 介质中真空中p 沿z传播光波, 电场变化： - 光，沿光，沿z 传播单位距离引相位变，传播单位距离引相位变， 0-初位相初位相 0( , )cos()(1 125)mE z tEtz 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 光是横波 能量密度与能流密度概念 时谐变电磁场概念时谐变电磁场概念 电场矢

41、量与磁场矢量关系 平面波极化 光在介质中传播时传播常数 光在自由空间中传播是行波 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 时谐变电磁场，复数方便： 00()()( , )ReRe(1 1 26)jtzjzj tmmE z tE eE ee 222)/(vk)2711(Re),(tjmeEtzE2220(1 1 14)EEt 解E波动方程: 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均

42、匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 光是横波 能量密度与能流密度概念 时谐变电磁场概念 电场矢量与磁场矢量关系电场矢量与磁场矢量关系 平面波极化 光在介质中传播时传播常数 光在自由空间中传播是行波 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 )(0zjmeEmE Re-实部, 括号 定义复振幅, (1-1-26): 22( )( )0(1 1 28)E rk E r 复数，波动方程(1-1-14)： 亥姆霍兹方程，解谐场分布方程。p 光真空传播, )(120/000Z1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-

43、2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 光是横波 能量密度与能流密度概念 时谐变电磁场概念 电场矢量与磁场矢量关系 平面波极化平面波极化 光在介质中传播时传播常数 光在自由空间中传播是行波 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 )2911 (/Zp 每对E 与H 复振幅比波阻抗： p 传播向平面，E 与H 。电场y 分量，磁场x 分量， Ey 与Hx 一组分量波，Ex 与Hy 另一组。

44、E, H, k满足右手螺旋定则, + /p 无损耗介质, 实数，空间任点电与磁场同相位，电与磁场量瞬时值比=波阻抗。21/2()(1 1 30)j 理想介质, =0, 光传播随空间坐标(z)变化律 , 介电常数实数; zje1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 光是横波 能量密度与能流密度概念 时谐变电磁场概念 电场矢量与磁场矢量关系 平面波极化 光在介质中传播时传播常数光在介质中传播时传播常数 光在自由空间

45、中传播是行波 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 -损耗系数， -相位常数 0)/1 (jc0)3111 (zjazee 非理想介质, , 介质常数复数, , 由(1-1-30), , 光在介质传播衰减, 光随z变化律: /2 为 光, 沿z传播单位距离相位变, . p 光传播，场量（电例）在一方向振动，线性极化波。线性极化波。p 特点：x, y场量相位差0或 两分量相位差不满足两分量相位差不满足0或或 ，振动矢量方，振动矢量方向随光传播变，向随光传播变，椭圆偏振光（圆），椭圆偏振光（圆），极极化研究光传播特性化研究

46、光传播特性 p 部分透过，1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 光是横波 能量密度与能流密度概念 时谐变电磁场概念 电场矢量与磁场矢量关系 平面波极化 光在介质中传播时传播常数 光在自由空间中传播是行波光在自由空间中传播是行波 一、光的波动学说一、光的波动学说二、光子学说 1. 麦克斯韦方程与波动方程2. 电磁波的有关性质电磁波的有关性质 传播遇介质： p 部分反回。 p 满足一定边界条件，边界条件，入射与反

47、射波合成驻波，稳定光强分布。 1 2 3 4 光波动学说： 解释光干涉, 衍射成功成功； 辐射困难困难。 核心： 以光速c 传播物质单元光子组成。 光有波动，也有粒子性光子学说。 新学科：纳米光子纳米光子学学 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说二、光子学说二、光子学说 光子有动量P, )3311 (0knhp3. 光子的简并度光子的相干性4. 光子的相干性 1-1光波动理论光波动理论与光子

48、学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、光的波动学说二、光子学说二、光子学说 1. 光子的基本属性光子的基本属性2. 光波模式，光子态和相格 )3211 (h 光子有能量 , 0n0)/2(,2/nkh光子行进方向单位矢量,00m 光子有质量m, 静态 光子两独立偏振态，自旋。 )3411 (2 mc 动态质量与能量关系v 微观粒子: 测不准关系限制, 位置与动量不同时确定：(1 135)xx ph -同时同时确定，-不精确精确确定 ）（

49、37113zyxppphzyxv 三维坐标： 范围，光子态不精确精确确定)3611 (3hpppzyxzyxv h3相体积(相格)光子分辨最小尺度, 光子态对应不是点，相格（不是点，相格（六维空间体积），坐标空间体积： z 一光子占相体积h3, 空间V光子态数: 234( )(1 339)p dpVG p dph )401(4)(233dcVndP光子两偏振态：3238( )(1 1 41)nPddc 单位体积, 光子集合 范围状态数态密度。d态密度： 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收

50、和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 3. 光子的简并度光子的相干性4. 光子的相干性 一、光的波动学说二、光子学说二、光子学说 1. 光子的基本属性光子的基本属性 2. 光波模式，光子态和相格 24(1 138)p dpV z 空间V, 动量处pp+dp光子集合对应相体积: cnhp/ddvcnhdp)/(z 以 (n折射率)及 代上式, 光子 范围光子态数（态密度）： u有限空间，光子数按动量或 分布？ T 光束dt 内占体积(ds c/n)dt(ds光束截面积), 立体角 内, dt 通过ds 面积 在 范围光子： dd222222( )(1

51、142)nFd ddsdtd ddsdtd ddsdtc 相格： )4111 (8)(233dcndP光子有两偏振态态密度：dsdtncddvPdsdtdvdvF4)()(1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 3. 光子的简并度光子的相干性4. 光子的相干性 一、光的波动学说二、光子学说二、光子学说 1. 光子的基本属性2. 光波模式，光子态和相格光波模式，光子态和相格 T 光子在一定立体角范围行进，态密度乘

52、 . 4/ 一相格代表光子量子态，不同电子，多光子处同量子态简简并，并，同量子态平均光子数光源光子简并度。简并度。 例: 可见光, , T=300K, , 常T光频光子简并度低, 特殊法光频段获高简并度, 新光源光受激辐射光受激辐射(激光). m6 .03510n1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 3. 光子的简并度光子的相干性光子的简并度光子的相干性4. 光子的相干性 一、光的波动学说二、光子学说二、光子

53、学说 1. 光子的基本属性2. 光波模式，光子态和相格 )4311 (11/kThen 辐射体（黑体）处一状态平均光子数： 光子服从波色波色爱因斯坦分布律，爱因斯坦分布律，允许两个以上光子处同量子态，或同相格。 34 1 新光源单色亮度高, 2 3 大量光子处同量子态, 确定运动方向, 和偏振相干相干光光, 比普通光多优越性. 1-1光波动理论光波动理论与光子学说与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 3. 光子的简并度光子的相干性4. 光子的相

54、干性光子的相干性 一、光的波动学说二、光子学说二、光子学说 1. 光子的基本属性2. 光波模式，光子态和相格 一、讲授内容(1) 二、前 言 第一章 光与物质相互作用基础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 1-3 热辐射的一般概念 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1-2 物质的微观结构与能量状态 1. 主量子数主量子数 n2. 副量子数副量子数 l 描述一电子微观态多量子数表示: 1 2 3 4 主量子数 n 副量子数 l 自旋量子数 s 内量子数 j 5 轨道及自旋 动量矩在磁场向投影量子化, 磁

55、量子数ml , ms及总动量矩磁 量子数mj 一、原子的微观结构一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与物质微观结构与能量状态能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 3. 自旋量子数自旋量子数 s4. 内量子数内量子数 j四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律 v 电子填充规律: 能量最低原理 泡利不相容原理 系统, 不能两或两个以上电子处同量子态; 电子填充能级低, 低态填满, 再填高态. 两规律符合,

56、 壳层填充电子数不完全按上壳层微观状态数进行. 如: n=1-4, 填满壳层电子数分别：2, 8, 8, 18， 电子绕核旋转轨道不同，某些高壳层低电子能级比低壳层高电子能级更低能级交错。能级交错。 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与物质微观结构与能量状态能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态 四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律 p 泡利不相容原理、p 能量最低原理； 支壳

57、层能量由低到高： 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p 电子填充支壳层先后顺序， 确定原子电子基本组态； Si（Z=14）基态电子组态 1s22s22p63s23p2简3s23p2， 能级被电子填满壳层省去；能级被电子填满壳层省去；一3p 电子激发到4s 态， Si原子电子态；3s23p4s； 123磁性出现在有内不满壳层电子态元素，如： 铁族铁族3d，稀土4f 41-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与物质微观结构与能量状态能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1

58、-8辐射的经典理论 一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态 四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律 分子总能: veWWWW)521.(2, 1, 0)21(nan，r0附近振动能级： )721 (1n振动状态改变选择定则: )921 (1m同一电子运动能量范围内转动能量转动能量改变选择定则： ）（621)21()21(2bnanWv振动位移大，互作用力不是准弹性力 )821 (,.2, 1, 0) 1(22mmmJhW，J转动惯量 分子只转动能量量子化: 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与物质微观结构与能量状态能量状态 1-3热辐

59、射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态三、分子结构及能量状态 四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律 We电子运动能运动能 W 转动能转动能W 振动能振动能固体能带如何形成？构成？ 能带结构形成： 1231 固体多原子组成，含原子核及多电子，电子运动态多体问题，无法严无法严格解。格解。 2 多体简化多电子，简化多电子，电子原子核势场及其他电子平均场运动，多电子简化单电子运动简化单电子运动态。态。1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与物质微观结构与能量状态能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑体辐射 1-5自发辐射, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态 四、固体的能带四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律 原子间靠近，相互作用强。 运动致能级分裂，原孤立原子存在，能级离散，聚合，共有化电子占据同能级，不符合泡里不相容原理，互作用，一能级分成多接近能级，能带。光学现象：电荷能带间跃迁造成。 外层电子共有化外层电子共有化 能带的形成 大量原子排成晶体，电子受本身原子核作用，受邻近原子核影响，内