第1次 波动理论光子学说

1、光电子学教程光电子学教程编著作者：张季熊编著作者：张季熊光电子学光电子学:是以光与物质相互作用及其应用为研究对是以光与物质相互作用及其应用为研究对象的一门内容极其深广的学术分支。象的一门内容极其深广的学术分支。光电子技术光电子技术: :是以光电子学为基础，以光的产生、控是以光电子学为基础，以光的产生、控制、传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统制、传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统为研究对象的新型综合性技术领域。内容包括：为研究对象的新型综合性技术领域。内容包括：激光技术激光技术导波光电子技术（光子学，光无源器件）导波光电子技术（光子学，光无源器件）晶体光学与电光器件晶体光学与电光器件

2、（电光、磁光、弹光、声光（电光、磁光、弹光、声光）半导体光电子器件物理与技术半导体光电子器件物理与技术(LD, LED, EAM, PD)聚合物材料与器件聚合物材料与器件涉及领域：电磁理论，半导体物理，量子力学涉及领域：电磁理论，半导体物理，量子力学光电子学与光电子技术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波光学非线性光学效应介质导波效应光电子学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

3、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光电子技术光电子技术基础：各种技术共同的基本规律基础：各种技术共同的基本规律2022-3-222 教材：参考书籍：1.A. Yariv现代通信光电子学或光电子学导论或量子电子学2.马养武、王静环等光电子学马养武、王静环等光电子学3.陈天杰激光基础4.朱京平 光电子技术基础 2005 20092022-3-223课程内容 第一部分：激光原理（6周） 第一章 光与物质相互作用基础 第二章 介质中的光增益 第三章 激光振荡与工作特性 第二部分：光纤波导（2周）（光纤传感器） 第四章 光辐射在介质波导中的传播 第三部分：光电检测（2周） 第五章

4、 光辐射的探测 第七章 光电转换器件2022-3-224 第四部分：激光器件（4周） 第六章 发光器件课程内容 第五部分：光波调制（2周） 第八章 光波调制（前3节） 课程特点：内容繁杂，知识点多，涉及面广。2022-3-225引 言 电子学：以电子作为信息的载体。 光电子学：以光子作为信息的载体，研究光与物质（电子）相互作用的学科。 激光：高相干度、高亮度、发散角小等优点。 优点：载波频率高（光波频率）、传输速度快、光电子器件响应快、多通道并行处理能力强、防电磁干扰及存储能力强。2022-3-226应用及产业 一、信息应用类光纤通讯（宽带网）光通讯自由空间通讯光学信息及图像处理光学传感、探测

5、及测量光纤传感器2022-3-227应用及产业 二、能量应用类利用激光能量进行的各类材料的加工（激光打标）利用激光能量的激光热核聚变及激光能量传输应用利用激光能量的现代武器装备2022-3-228第一章 光与物质相互作用基础 1-1 光的波动理论与光子学说 光的显著特性：波粒二象性光波既有波动性也有粒子性。等倾干涉干涉等厚干涉多光束干涉波动性菲涅耳衍射衍射夫琅和费衍射粒子性：光电效应在光的照射下材料表面发射电子的现象2022-3-229 一、光的波动学说 1. 麦克斯韦方程组0LsLssVsBE dldStDH dlJdStD dSqdvB dS （1）积分形式环路定理高斯定理2022-3-2

6、210(111) (112)0(113)(114)DHJtBEtBDJ （2）微分形式式中： 为电流密度； 为电荷密度。此方程适用于任何媒质。2022-3-2211 2. 介质的本构关系001rrDEBHJE 电阻在静止、线性、各向同性介质中：介质的介电常数式中：介质的磁导率电导率麦克斯韦方程组可确定空间中在初始条件的电磁场分布边界条任一点任意时刻件2022-3-2212 3. 电磁场的波动方程22AAA)BEtEEE 根据麦克斯韦方程组的第二个方程对方程两边取旋度(利用附录（213）式:（）左边：（）2022-3-22132200000:(1)rrBHHtttDJttJDttDEPPEEEE

7、E 右边：（利用1-1-1式）（）对各向同性介质：介质的极化强度矢量：介质的极化率：相对介电常数：绝对介电常数2022-3-2214222p00( )0,0( )00()00JEEEttaJbPDEPEPE 左边:（）:右边电磁波在无源区传播假设：介质均匀极化2022-3-221522222200EEtHHt电场的方程可简化为：(1-1-波动方程磁14)此即为(1-场的波动方程1-16)2022-3-2216222222110(1 1 15)1022v=EEvtHHvt 介质中光速波动方程可写为：2022-3-2217 4. 边界条件1212121212121212()()0()0()nnss

8、nnttttssDDnDDBBnBBEEnEEHHJnHHJ或(1-1-17)或(1-1-18)或(1-1-19)或(1-1-20)ssnJt： 电 荷 面 密 度： 表 示 法 线 方 向： 面 电 流 密 度： 表 示 切 线 方 向2022-3-2218 5. 电磁波的有关性质(1) 光是一种横波横波：光波的振动方向与波的传播方向垂直2022-3-2219 （2）能量密度电磁场内单位体积中包含的电场和磁场的能量。221122emEHSEHSS能流密度（坡印廷矢量）单位时间内通过垂直于光传播方向上单位面积的能量（1-1-23）能流密度 与能量密度 的关系：=（1-1-24）v2022-3-

9、2220 （3）时谐变电磁场0000()()ee()e2cos=R R R mjtzjzj tmmjzmmj tmtzeeeee 2均匀平面波： (z,t)=()（1-1-25）复数表示法： (z,t)定义复振幅：(z,t)采用复振幅表示方法，波动方程可简化为：（r）+k （r）=0 亥姆霍兹方程2022-3-2221 二.光子学说 认为光是由一些以光速c传播的物质单元光子组成 1.光子的物质性0020=h2.=20ahhbnnkhccm 2.能量 （1-1-32）动能 （1-1-33）c.质量 m=（1-1-34） 当光速为零时，光子静态质量。光子还具有两种独立的偏振态，具有自旋。2022-

10、3-2222 2.光子的状态描述 （1）相体积：描述光子状态所能分辨的最小尺度。 测不准原理3346.626 10 xyxyzzxhyhx y zhzhhJ S 坐标空间体积动量空间体积普朗克常数2022-3-2223 （2）态密度2234( )41,VppdpVp dpG p dpVp dp hhhnnhVpdpdcc单位体积内，准单色光（+d ）内所包含的光子状态数目。设空间体积为 ，动量在 范围内的光子所对应的相体积为：则在坐标动量空间中，光子的状态数为：取单位体积，；2022-3-222423323323( )44( )8(1 1 41)dhnnhPddhccndcnPddc 则光子频

11、率在 范围内的状态数为：考虑到光子有两个偏振态，2022-3-2225d例子:一束准单色球面波( )在立体角d 内传播，求光子状态数。3233232448( )842cdcdVdt dsdtdsdnnnddVdccndtdsddncdtdsdd解：坐标空间体积为：=状态数为：2022-3-2226 23(3)1,1.38 101hktJnkKe简并现象与光子简并度简并：多个光子处于同一量子态的现象。光子简并度：处在同一量子态的平均光子数目玻色爱因斯坦分布：350.610mn例：，T=300K时，简并度很低。受激辐射激光，具有极高的简并度。2022-3-22271-2 物质的微观结构与能量状态一

12、.原子的微观结构1.原子的结构特点（1）“行星结构”质子原子核中子原子轨道运动核外电子自旋运动电子自旋假设1925年由荷兰学生乌仑贝克和古兹米特提出。2022-3-22281212H1 2 3.13.63.94nnevEev n1（2）壳层结构电子只能在大小一定，彼此分隔的一系列轨道上运动。与轨道对应的能量能级以氢原子 为例：、氢原子2022-3-22292、同一壳层能量产生差异的原因圆形（能量高）（1）轨道形状及其取向椭圆形（能量低）（2）角动量耦合（L-S耦合）轨道角动量方向相同（能量大）耦合自旋角动量方向相反（能量小）2022-3-22302022-3-22312322,8,18,32,

13、50,72,98nn、描述电子微观状态的量子数（1）主量子数n：表示原子的主壳层，代表了电子能量的主要部分。n=1,2,3,4,5,6,7K L M N O P Q主壳层上电子个数：N2022-3-22322(21)2,6,10,14,18,32llll（2）角量子数 （副量子数）表示主壳层中的次壳层。=0,1,2,3,4,5,.n-1(共n个取值) s p d f g h次壳层电子个数：N2022-3-2233 钠原子的核外电子分布：2022-3-2234(1)()(4)()(1)sjs slj lslj j 1(3)自旋量子数s=2描述自旋角动量的大小，1+同向2内量子数 =1-反向2描述

14、自旋角动量与轨道角动量耦合后的总角动量的大小2022-3-22354,0, 1, 2,.120, 1, 2,.30, 1, 2, 3lsjlsjjm mmmlmmjm 、原子在外磁场中微观状态的确定磁量子数和以为例,J2022-3-22361,2,3.1,2,3.0,1,2.10,1,2.110, 1, 2,.210, 1, 2,.2lsjnnlnlnabmljlslmmj 确定电子唯一状态的量子数：2022-3-22375lsnlmm、泡里不相容原理不能有两个电子同时处在同一个状态即：标志两个原子状态的量子数（ 、 、）必定有一个不相同。例：钠原子核外电子的量子数2022-3-2238202

15、2-3-22396、和能量最低原理：电子填充能级总是从能量最低能级开始，最低能级填满后，再填充较高能级。次壳层填充顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f2022-3-2240 部分原子的电子组态122122221222223224225H1sHe1sLi 1s 2sBe1s 2sB1s 2s 2pC1s 2s 2pN1s 2s 2pO1s 2s 2pF1s 2s 2p22622612262226212262222623226242262522626Ne1s 2s 2pNa1s 2s 2p 3sMg1s 2s 2p 3sAl 1s 2s 2p 3s 3pSi

16、1s 2s 2p 3s 3pP1s 2s 2p 3s 3pS1s 2s 2p 3s 3pCl 1s 2s 2p 3s 3pAr1s 2s 2p 3s 3p41nd25 2ajlj1 25 2二、能量状态的表示方法、价电子的状态符号氢原子基态电子的状态符号：角量子数值1s值例：3表示电子处在第三壳层，次壳层，的微观状态。2022-3-22423 22nS3,2,3 2bjDnlj21 22、原子的状态符号表示简并度角量子数值1值简并度=2S+1例：3表示电子处在的微观状态。2022-3-2243表1-2-1具有一个价电子的原子的状态表示2022-3-2244,1,2,iislJLS LSLSLS（2）多电子情况总动量矩的矢量合成L-S耦合：将各个电子的按矢量加法合成原子的总自旋动量矩 ；将各个电子的合成原子的总轨道动量矩 ，则原子的总动量矩为：= +可取的自旋动量矩轨道动量矩数值为：S SL LJ L SJ L SJ J2022-3-2245,1,2,iiiiaj ls lbSs LlJLS LSLSLS.单电子L-S耦合=1 2、多电子L-S耦合=2022-3-2246121212113301,111221102201101111112 1 013spSssSSssLllSJLSs p