光电子学-第一章3

1、光电子学 第一章 光与物质相互作用基础 第三讲,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 Microelectronics Science,第二讲要点回顾,描述辐射场的几个物理量为什么要考虑辐射频谱？,谈谈你对由热力学理论得到的实验定律意义的认识；,谈谈自发辐射、受激吸收和受激辐射之间的联系和区别；,光与物质相互作用基础,1,1-5 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

2、动理论与光子学说,1-6 谱线形状和宽度,第三讲要点,一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,Na光灯发黄光射光谱仪，达底板，若干细线光谱，每条谱线，与光源()对应； 光谱线，有宽度，粒子能级间跃迁辐射不单一电磁波。,注意： 经典与量子解释！ 为什么有宽度?,原（分）子阻尼振动，粒子发光，一段t 发射有限波列； 波形频谱，若干简谐波叠，跃迁发EM波分布中心 附近小 范围单色波组合，谱线宽度。,1. 经典的观点 2. 量子力学的观点,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,测不准关系，某刻粒子能级不定， ，能级不单一。,粒子自发辐射发光增宽不可避免自然加宽，谱线宽vN,粒子表示,

3、一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,1. 经典的观点 2. 量子力学的观点,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,谱线强度纵， 横标，光强分布，线型函数g(v)。总辐射功率I0光谱，vv+dv辐射功率与总功率比随 分布：,线型函数g：,g(v)从最大(vo)一半, 对应 范围。,区分能级简并度g!,为什么g(v)跃迁几率按分布函数?,一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,1. 经典的观点 2. 量子力学的观点,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,g(v)归一化：,g()跃迁几率按 分布函数。,谱线宽度定义：,粒子高E2自发辐射到基态E1，E2粒子。初

4、E2粒子n20，t 后：,衰减因子=自发跃迁几率,一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,自发辐射光强：,光EM理论： 衰减因子，,自然加宽谱线宽度：,见教材！,一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,小，谱线宽窄，光纯。,自然加宽g()（略）：,结论：自发辐射dn21/dt同没考虑谱线加宽。,A21和B21关系,自发辐射：,辐射：,一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,谱线加宽，高能级粒子随t变：,或：,外场影响受激吸收和辐

5、射(1-5-12)，,(1-6-22)B21()与B21关系， 受激跃迁几率：,受激辐射系数,1. 辐射场线宽小（准单色） 2. 原子与连续谱光辐射场作用,一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,线宽，受激跃迁引高能粒子变化：,谱线加宽dn21/dt不再=n2B21w()，,两情况：, 为 单色辐射场w( )作用， 受激跃迁几率:,辐射场中心 ，宽 （原子能级宽），被积函数小范围非零值,受激跃迁高能粒子变化， dn21/dt 不简单=n2B21w()， 线型函数常数，w =w(v)。,受激辐射,受激吸收,1. 辐射场本身线宽极小（准单色光

6、） 2. 原子与连续谱光辐射场作用,一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,物理意义:,1. 辐射场本身线宽极小（准单色光） 2. 原子与连续谱光辐射场作用,一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,谱线加宽，与原子互作用光 不精确=发光中心0产生受激跃迁， 偏离0不大范围，都受激跃迁，,=0跃迁几率最大，,偏离0几率剧。,w(0)连续谱辐射场中心0单色能量密度,与1相反，发光 远辐射场 。,受激跃迁几率：,1. 辐射场本身线宽极小（准单色光） 2. 原子与连续谱光辐射场作用,一、谱线

7、加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导,三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响,(1-6-24)被积函数在中心0小范围非0，w(0)代替w()，(1-6-24)：,与前一致，黑体辐射场连续谱场。,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,谱线宽度分析：,均匀加宽,非均匀加宽,均匀加宽：发光粒子发光对谱线任 贡献。粒子地位同，发光原子整线型发射，不能特定 和特定粒子联系；,自然加宽：均匀加宽，原子能态不无限窄，谱线有宽度谱线加宽辐射阻尼加宽；,碰撞加宽：均匀加宽，无规运动态分子互碰撞谱线加宽。,晶体：原子晶格不动，其他原子偶极矩作用，无规变运动态，能态变；,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,气体分子：运

8、动受其他分子作用，能态变，寿命缩，发光单色性差;,能量变分子碰撞造成。,碰撞加宽线型洛仑兹函数，与(1-6-20)比：,L碰撞线宽，宽度。,碰撞加宽：,1,3,4,1,激发和基态原子碰撞内能给基态原子跃至激发态， 回到基态： 碰撞能级寿命缩，类自发辐射横向弛豫,2,3,激发态和其它原子或器壁碰撞内能变其它原子动能或给器壁，自己回基态： 粒子激发态寿命缩,激发态和其它原子碰原子发波列无规相位突变， 波列t短； 等效原子寿命缩,激发同类原子,激发其它原子、器壁,激发其它原子碰撞波列t 缩,问题：碰撞加宽原因？,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,大量原（分）子无规碰撞,碰撞种类（加宽原因）：,碰撞线宽：

9、,碰撞随机，统计：,碰撞加宽线型洛仑兹型,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,任原子与其它原子碰撞平均t 间隔L，频繁程度平均碰撞 t,碰撞加宽线函：,平均碰撞L与气体压强，原（分）子碰撞截面，T有关,气体压强不高，T不低，碰撞线宽L与气压p正比，,问题：气体及固体激光工作物质，加宽原因？,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,L = p； 随气体和谱线不同。,固体激光工作物质，原子互作用引加宽小，,加宽原因：,(a) 原子与晶格互作用致无辐射跃迁激发态能级寿命缩短；,(b) 晶格热振动能级位置、范围变，加宽。,影响因素对所有粒子同，均匀加宽。,自然加宽与碰撞加宽属均匀加宽，谱线型同，加宽相加。,问题：为什

10、么不能发绝对单色光？,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,H均匀加宽线宽：,谱线，碰撞远自然加宽；,气体：低气压，自然加宽显示；,为什么不可能发绝对单色光？,自然加宽谱线宽度最低值，不存在线宽0，不可能发绝对单色光；,均匀加宽谱线加宽，另加宽，气体工作物质考虑非均匀加宽（多普勒）,定义：粒子发光对谱线内确定 贡献；,不同粒子对谱线加宽g()不同 各贡献,非均匀气体工作物质多普勒加宽原因：,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,热运动发光原（分）子发出辐射多普勒频移引起。,多普勒效应,发光原子（光源）中心0(h0=E2-E1)，原子相对接收器静止，接收器测0，原子相对接收器vz运动，接收器测光波,光学多普勒效

11、应,vz /c 1,气体分子热运动，发光粒子发出辐射多谱勒效应引线宽多谱勒线宽,多普勒平移,多普勒加宽（谱线）,多普勒加宽：,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,原子热运动，不同视向v原子数不同，不同多普勒位移强度不同，谱线加宽,激光器，原子和光波场作用，中心0 运动原子和沿z 传播 单色光互作用；,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,单色光光源发出，原子感受光波接收器，静止(vz=0)，感受光波， =0最大共振互作用（最大受激跃迁几率）；,中心0，沿z 以vz 运动，离开光源，原子感受光波 变 ；, =0最大互作用，当,即 或,最大互作用。,运动原子与光作用，原子不再0，中心 光 =0最大作用,0运动原

12、子中心。,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,运动原子v各不同，不同运动原子与不同 光波不同最大互作用。,结论：沿z 传播光与中心0 速度vz 运动原子互作用，中心。,原子沿光传播向运动，vz0；,反向，vz0；,气体：分（原）子热运动v 麦克斯韦v 分布律，T平衡态， 单位体积z向v分量vzvz+dvz原子数：,原子数按v 分布1-7-3a,速度 频率,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,m分（原）子质量；,n单位体积分（原）子数,令 ，原子中心0分布函数,(1-7-8)代(1-7-9)上下两能级原子数n2，n1中心0分布：,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,不考虑自然和碰撞加宽（均匀），原子自发辐射 =0

13、， n2原子(1-7-13)中心 分布， 处- +d 原子自发辐射功率：,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,线型函数定义g(, 0)=I()/I，多谱勒线型函数原子数中心 分布函数：,gD(, 0)高斯函数，=0,是多谱勒线宽。(1-7-15)为：,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,半值宽度D,gD()=1/2gD(0)：,均匀加宽线型函数,多谱勒线宽非均匀线宽。,多谱勒加宽，不同v 粒子光谱 不同， 非均匀加宽，,问题： 气体和固体工作物质非均匀加宽原因？,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,气体工作物质：非均匀加宽多谱勒加宽。,固体：不存在多谱勒加宽。,固体引起非均匀加宽原因：晶格缺陷。,谱线加宽，线型

14、函数均匀和非均匀加宽叠加综合加宽。,任v粒子自然和碰撞加宽， 这v粒子发光 均匀加宽。,多谱勒非均匀加宽，含许多均匀加宽。非均匀加宽每 都辐射一均匀加宽谱线。,一、均匀加宽 二、非均匀加宽,一、经典理论 二、半经典理论,1. 经典振子（原子自发辐射的经典模型） 2. 封闭腔的振动模（光波模式、光子态、相格）,经典原子内电子运动，简谐或阻尼振动规律运动电偶极子，简谐振子。,模型：原子中电子被与位移成正比弹性恢复力束缚平衡位置x=0，偏离平衡位移x0，恢复力f =-kx作用。,运动方程：,解（无阻尼振荡）,0简谐， ，简单振源模型。, 光波模式 光子态,一、经典理论 二、半经典理论,1. 经典振子

15、（原子自发辐射的经典模型） 2. 封闭腔的振动模（光波模式、光子态、相格）, 相格, 光波模式 光子态,一、经典理论 二、半经典理论,1. 经典振子（原子自发辐射的经典模型） 2. 封闭腔的振动模（光波模式、光子态、相格）, 相格, 光波模式 光子态,一、经典理论 二、半经典理论,1. 经典振子（原子自发辐射的经典模型） 2. 封闭腔的振动模（光波模式、光子态、相格）, 相格, 光波模式 光子态,一、经典理论 二、半经典理论,1. 经典振子（原子自发辐射的经典模型） 2. 封闭腔的振动模（光波模式、光子态、相格）, 相格,受激吸收，受激和自发辐射建立量子基础上：,原子处理量子力学，光场经典（麦

16、克斯韦方程）； 优点：精确与激光有关过程；爱因斯坦受激辐射，吸收B 和自发辐射A 关系反映自发辐射； 缺点：不能阐明自发辐射；,半经典,原子量子力学， 光场量子电动力学，量子化，“场振子”； 优点：反映自发辐射半经典法没反映物理过程。 缺点：复杂，抽象，不直观。,量子,一、经典理论 二、半经典理论,半经典与量子理论；,给EM场，体系含在力学范围，量子跃迁理论计算：,1. 光和微观粒子的相互作用 2. 爱因斯坦系数的计算,一、经典理论 二、半经典理论,原子受入射光作用跃迁到激发态几率：,原子能量Em -En，En初态；Em激发态，,相反激发态跃迁到低态几率：,原子能量Em -En。,半经典理论：

17、原子能量取自光场，EnEm 跃迁几率和光部分能量（等同Em -En）被吸收几率等同。,EnEm跃迁能量差Em-En=作用光量子能量h， 适合，发生。,入射光谱中须含能量 光量子。,1. 光和微观粒子的相互作用 2. 爱因斯坦系数的计算,一、经典理论 二、半经典理论,EnEm跃迁入射光谱存在 才可能。,跃迁EnEm实现，含nm光微扰：,入射光分解为单色光，EnEm跃迁实现，有频率mn波 （光量子 ）。,能量守恒，光作用，激发Em 跃迁到低能En 光量子发射。,1. 光和微观粒子的相互作用 2. 爱因斯坦系数的计算,一、经典理论 二、半经典理论,计算跃迁，和爱因斯坦理论受激辐射几率符合。,缺点：不能在力学考虑自发辐射。无外界作用产生，入射光不存在时产生，适合：,1. 受激吸收,2. 受激发射,起因：考虑纯力学，电子在外场（原子核静电场）运动，没计及电子运动产生EM场对电子作用，忽视电子场对电子本身反作用。,考虑带电粒子运动，电荷在准弹性力作用下运动，初能量E 粒子，保持该能量。,1. 光和微观粒子的相互作用 2. 爱因斯坦系数的计算,一、经典理论 二、半经典理论,计及运动带电粒子产生EM场对粒子作用，粒子消耗能量辐射光。,量子力学计算光吸收几率；,爱因斯坦理论