光電子學(xué)(第一章1)

1、 光電子學(xué)基礎(chǔ) 第一章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ) 第一講 湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，王玲玲2016 年 03 月物理與微電子科學(xué)學(xué)院School of Physics and MicroelectronicsScience王玲玲王玲玲 QQ：512897575 辦公室：知新樓辦公室：知新樓 203 課程網(wǎng)址：課程網(wǎng)址：http:/ 二、前 言 第一章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)1-6 譜線形狀和寬度 1-5 自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射 1-4 黑體輻射 1-3 熱輻射的一般概念 1-2 物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-7 均勻加寬和非均勻加寬 1-8 輻射的經(jīng)典理論 1-1

2、光的波動理論與光子學(xué)說光的波動理論與光子學(xué)說 2-3 介子中的增益飽和與燒孔效應(yīng)介子中的增益飽和與燒孔效應(yīng) 2-2 光在介質(zhì)中的小信號增益光在介質(zhì)中的小信號增益 2-1 粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布 第二章 介質(zhì)中的光增益一、講授內(nèi)容（2）二、前 言 第三章 激光振蕩與工作特性一、講授內(nèi)容（3）二、前 言 3-5 激光的橫模及高斯光束 3-4 激光的縱模與頻率特性 3-3 激光產(chǎn)生的閾值條件激光產(chǎn)生的閾值條件 3-2 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 3-1 激光的特性激光的特性 3-6 連續(xù)激光器的輸出功率與最佳透過率 4-7 光纖損耗與色散 4-6 光纖中電磁波模式理論 4-4 矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概

3、念 4-3 平板波導(dǎo)的電磁理論 4-2 介質(zhì)平板光波導(dǎo)的射線分析方法 4-1 光在介質(zhì)分界面上的反射與折射光在介質(zhì)分界面上的反射與折射 4-8 光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 4-5 光纖中的射線分析（上、下）光纖中的射線分析（上、下） 第四章 光輻射在介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播一、講授內(nèi)容（4）二、前 言 5-4 光輻射的探測方法 5-3 光輻射探測過程中的噪聲 5-2 光探測的基本物理效應(yīng) 5-1 物質(zhì)中的光吸收物質(zhì)中的光吸收 第五章 光輻射的探測 一、講授內(nèi)容（5）二、前 言 6-4 倍頻和混頻 6-3 位相匹配 6-5 光參量放大與振蕩 6-6 受激散射 6-1 非線性光學(xué)的物理基礎(chǔ) 6-2

4、非線性介質(zhì)中的電磁波傳播方程 第五章 非線性光學(xué) 一、講授內(nèi)容（6）二、前 言 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ) 11-6 譜線形狀和寬度 1-5 自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射 1-4 黑體輻射 1-3 熱輻射的一般概念 1-2 物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-7 均勻加寬和非均勻加寬 1-8 輻射的經(jīng)典理論 1-1 光的波動理論與光子學(xué)說光的波動理論與光子學(xué)說第一講要點 回顧麥克斯韋方程； 麥氏方程導(dǎo)出波動方程; 解波動方程; 電磁波性質(zhì); 介紹課程內(nèi)容物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量關(guān)系 1 3 2 光電子學(xué)教程 張季熊 編著 華南理工大學(xué)出版社 2005年1月第1版第3次印刷光電子學(xué)原理應(yīng)用 王雨三、張中華、林殿陽

5、 編著 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2005年5月第2版 2005年5月第3次印刷 教 材 參考書 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 教材及參考書 光電子技術(shù) 基礎(chǔ): 各種技術(shù)基本規(guī)律各種技術(shù)基本規(guī)律 光電子學(xué)與光電子技術(shù) 傅立葉光學(xué) 激光與紅外物理學(xué) 非線性光學(xué) 強光光學(xué)效應(yīng)電 光 效 應(yīng)磁 光 效 應(yīng)彈（聲）光效應(yīng)半導(dǎo)體光電子學(xué) 光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)發(fā) 光 效 應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)導(dǎo)

6、波光學(xué) 非線性光學(xué)效應(yīng)介質(zhì)導(dǎo)波效應(yīng)光電子學(xué) 混頻移頻鎖模調(diào)激光Q 光載波源 復(fù)用傳感調(diào)制偏轉(zhuǎn)開關(guān)光信號加載 反饋中繼偏振隔離耦合波導(dǎo)光信號傳輸 存儲全息濾波共軛頻譜卷積相關(guān)邏輯延遲放大補償整形解調(diào)光信號處理 探測顯示光信號接收 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 光源傳輸調(diào)制探測成像顯示光電子技術(shù) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài)

7、 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 按信息傳遞的各個環(huán)節(jié)劃分1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 新型光學(xué)和光電子器件光學(xué)與電子學(xué)結(jié)合光電子學(xué)研究光與研究光與物質(zhì)相互作用物質(zhì)相互作用新興學(xué)新興學(xué)科，科，電子技術(shù)在光頻電子技術(shù)在光頻

8、波段延續(xù)與發(fā)展。波段延續(xù)與發(fā)展。 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 研究光（相干光）研究光（相干光）產(chǎn)生，傳輸，控制產(chǎn)生，傳輸，控制和探測技術(shù)。和探測技術(shù)。 定義定義 課程做到： 1p 基礎(chǔ)知識傳授： p 物理概念及物理概念及理論方法；理論方法； 2p 理論與實踐結(jié)合： p 光電子學(xué)在光電子學(xué)在有關(guān)領(lǐng)域應(yīng)有關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用用。 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1

9、-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 出發(fā)點： 一完整信息系統(tǒng)包括光載波源，光信號傳播，光信號調(diào)制，光信號探測與解調(diào)。太赫茲科學(xué)（太赫茲科學(xué)（THzTHz）THz Gap宏觀電子學(xué)向微觀宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡光子學(xué)過渡頻段頻段 所有大分子的所有大分子的轉(zhuǎn)動和振動轉(zhuǎn)動和振動頻率頻率 電子，信息，生命，國防，航天應(yīng)用前景 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-

10、4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 狗紅外線照片 紅外線（紅外線（Infrared）：）： 介微波與可見光間EM波，760nm-1mm，比紅光長非可見。覆蓋物體發(fā)熱輻射波段。穿透比紅光長非可見。覆蓋物體發(fā)熱輻射波段。穿透云霧霧能力比可見能力比可見光強光強紅外光，紅外光，通訊通訊，探測，探測，醫(yī)療醫(yī)療，軍事用。 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀

11、和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 課程介紹： 1 2 3 4 輻射概念，光產(chǎn)生、傳輸、探測為線索，闡述： 激光產(chǎn)生原理與特原理與特性、性、 光在介質(zhì)中傳輸特性及 光探測原理原理與方法、與方法、非線性光非線性光學(xué)；學(xué)； 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 注重注重 例例: 太陽能電池太陽能電池 內(nèi)容內(nèi)容 介紹光電子學(xué)；

12、物理概念， 理論聯(lián)系實際， 涉光電子學(xué)領(lǐng)域。 工作原理，效應(yīng)： 1. 光熱光熱 2. 光電光電 3. 光化光化 使學(xué)生了解使學(xué)生了解 1. 光電子學(xué)研究對象 2. 范圍及 3. 應(yīng)用 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 電磁波理論 半導(dǎo)體物理 固體物理 激光物理 先修課程 物理光學(xué) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)

13、輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 3. 激光特性激光特性4. 激光應(yīng)用 2 3 1 激光基礎(chǔ)： 愛因斯坦受受激激 輻射理論輻射理論 第一臺激光器發(fā)明： 1960梅曼紅寶石激光器 激光特性： p 單色性好 p 方向性好 p 亮度高 p 高量子 簡并度 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、講授內(nèi)容 二、前二、

14、前 言言 1. 激光理論基礎(chǔ)激光理論基礎(chǔ)2. 第一臺激光器發(fā)明第一臺激光器發(fā)明 激光器受激發(fā)射放大受激發(fā)射放大相干光輻射（激光）。19600707，紐約時報，梅曼世界第一臺紅寶石激光器，閃光燈光線閃光燈光線照進手指大紅寶石晶體，相干脈沖激光束。頂尖實驗室爭第一發(fā)明激光器，其雇主洛杉磯休斯飛機公司勝。 1激光“鐳射”，“萊塞”，LASER，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，“受激輻射光放大”。1964錢學(xué)森錢學(xué)森“光受激發(fā)射光受激發(fā)射”“激光激光”。 2希爾希爾多梅曼多梅曼 19600517，Ted Maiman（梅曼

15、）發(fā)明第一臺激光器 固體激光器 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 3. 激光特性激光特性4. 激光應(yīng)用 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 1. 激光理論基礎(chǔ)激光理論基礎(chǔ)2. 第一臺激光器發(fā)明第一臺激光器發(fā)明 1 2 3 4 工業(yè)加工 軍事 醫(yī)學(xué) 存儲信息 光通訊 15 核聚變 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射

16、, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 3. 激光特性4. 激光應(yīng)用激光應(yīng)用 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 1. 激光理論基礎(chǔ)2. 第一臺激光器發(fā)明 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 3. 激光特性4. 激光應(yīng)用激光應(yīng)用 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 1. 激光理論基礎(chǔ)激光理論基礎(chǔ)2. 第一臺激光器發(fā)明第一臺激光器發(fā)明 1. 激光束聚焦材料表

17、面熔化，光束與材料沿定軌跡相對運動，形成一定形狀切縫； p 金剛石鋸片激光焊接成套設(shè)備和 p 焊成金剛石鋸片 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 工業(yè)加工工業(yè)加工 軍事上應(yīng)用 醫(yī)學(xué)上應(yīng)用 3. 激光特性4. 激光應(yīng)用激光應(yīng)用 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 1. 激光理論基礎(chǔ)2. 第一臺激光器發(fā)明 2. 改善和火焰切割切口質(zhì)量，推廣氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。 2. 武器1-1光波動理論光波動理論與光

18、子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 工業(yè)加工 軍事上應(yīng)用軍事上應(yīng)用 醫(yī)學(xué)上應(yīng)用 3. 激光特性4. 激光應(yīng)用激光應(yīng)用 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 1. 激光理論基礎(chǔ)2. 第一臺激光器發(fā)明 1. 雷達 3. 測速 4. 測距 6. 通信5. 敵我識別 7. 制導(dǎo) 穿耳 打孔（治結(jié)石）1. 生命科學(xué) 診斷診斷 治療治療 2. 齲齒診斷 脫礦，淺齲脫礦，淺齲 隱匿齲隱匿齲 3. 治療 切割切割 充填物聚合，窩洞處理充填物聚合，窩洞處理

19、1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 工業(yè)加工 軍事上應(yīng)用 醫(yī)學(xué)上應(yīng)用醫(yī)學(xué)上應(yīng)用 3. 激光特性4. 激光應(yīng)用激光應(yīng)用 一、講授內(nèi)容 二、前二、前 言言 1. 激光理論基礎(chǔ)2. 第一臺激光器發(fā)明 其出現(xiàn)，強武器，物質(zhì)世界深入探索，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，認識新規(guī)律 無法以無法以宏觀理論宏觀理論為基礎(chǔ)為基礎(chǔ) 微粒微?；蚧虿▌诱f波動說完善，完善，波粒二象性描述微觀世界物質(zhì)波動特征；光波粒二象性，波動微粒性，光波粒二象性，波動

20、微粒性，光與物質(zhì)互作用現(xiàn)象及規(guī)律光與物質(zhì)互作用現(xiàn)象及規(guī)律深認識深認識 光認識經(jīng)歷 微粒說 納米電子學(xué)波粒二象性 波動說 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 J-I 密度 -電荷密度 總結(jié)變化E 產(chǎn)生H，變化H 產(chǎn)生E，描述EM場規(guī)律。麥克斯韋方程： 目的：麥克斯韋方程導(dǎo)出波動方程！克斯韋方程導(dǎo)出波動方程！ )411 () 311 (0)211 () 111 (DBtBEtDJH旋度 散度 詹姆斯詹姆斯克拉克

21、克拉克麥克斯韋麥克斯韋 一、光的波動學(xué)一、光的波動學(xué)說說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 麥克斯韋創(chuàng)立EM波理論，光 短EM波，適光波。 1 電場量 2 磁場量 電場強度E 電位移矢量D 磁感應(yīng)強度B 磁場強度H 關(guān)系: 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 000D d sqBE d ld stB d sDHd lId st 積分形式 一、光的波動學(xué)一、

22、光的波動學(xué)說說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 10. 圓周長公式圓周長公式 c=2 r 9. 傅立葉變換傅立葉變換8. 德布羅意方程組德布羅意方程組 p=hk, E=h 7. 1+1=26. 薛定諤方程薛定諤方程5. 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E0=mc24. 勾股定理勾股定理 / 畢達哥拉斯定理畢達哥拉斯定理 a2+b2=

23、c23. 牛頓第二定律牛頓第二定律 F=ma2. 歐拉公式歐拉公式 ei +1=01. 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組世界上最偉大十個公式：世界上最偉大十個公式：一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 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

24、理，斯托克斯定律散度散度 旋度旋度 用到解麥克斯韋方用到解麥克斯韋方程組得波動方程中程組得波動方程中 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 000DBEtBDHjt J-I 密度 散度 -電荷密度 旋度 微分形式微分形式 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動

25、方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 （）隨時間變化電場激發(fā)渦旋磁場）隨時間變化電場激發(fā)渦旋磁場 （）電位移矢量或電感應(yīng)強度）電位移矢量或電感應(yīng)強度D 散度散度=電荷密度電荷密度 0，電場有源場電場有源場 （） 磁感強度磁感強度B 散度散度0，磁場無源場，磁場無源場 麥克斯韋方程組物理意義 15. 1000tDjHBtBED（）隨時間變化磁場激發(fā)渦旋電場）隨時

26、間變化磁場激發(fā)渦旋電場 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 不符合右手法則（負）不符合右手法則（負）tB符合右手法則（正）符合右手法則（正） tD電場與磁場激發(fā) 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 1-1光

27、波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 電磁波傳播 電場電場波源波源磁場磁場磁場磁場磁場磁場磁場磁場磁場磁場電場電場電場電場電場電場)711 ()611 ()511 (EJHBED確定E 和H，了解D 與E, B 與H 關(guān)系。 靜止線性，各向同性介質(zhì)： 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀

28、和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) ）（811tBE）（911)(222tDtJEE(1 1 1)DHJt (1 1 6)BH ）（211tBE 麥氏方程組 麥氏方程組導(dǎo)出E 或H 變化規(guī)律。 求E 微分方程。（1-1-2）E 旋度兩邊取旋度： (1-1-6)及(1-1-1)帶入(1-1-8)： 各向異性，D(1-1-5)帶入(1-1-9)。D： 0(1 1 10)DEP P 電極化強度，P 與E 關(guān)系： 0(1 1 11)PE (1 1 5)DE 電極

29、化率。(1-1-10)代入(1-1-9)： 222022()(1 1 12)JEPEEttt EEEEEDr0000)1 (EEE2)(1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 由222022(1 1 13)EPEtt 解E 波動方程（E 滿足微分方程）。 假設(shè)： 0D0E2341 2 EM波傳

30、播（不在源區(qū)），J=0, =0 均勻介質(zhì)極化，束縛體電荷密度 0PP(1-1-12)寫成： (1 1 5)DE 222022()(1 1 12)JEPEEttt 0=0=目的：麥氏方程導(dǎo)出波動方程！麥氏方程導(dǎo)出波動方程！1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 導(dǎo)出 2220(1 1 14)EE

31、t 222022(1 1 13)EPEtt 222210(1 1 15)EEt -E 波動方程 解E 波動方程： 寫為： 0(1 1 11)PE 由 0)1 ()()(22222022202002220222222202EtEEtEEtEEEtEPEtEtPtEEr(1-1-15)：v電磁波介質(zhì)中傳播速度12v1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方

32、程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 或 )1 (0(1-1-14)： (1-1-13)：含P 微商源項，介質(zhì)極化影響 2220(1116)HHt )411 () 311 (0)211 () 111 (DBtBEtDJH麥氏方程二個E，二個M量。 類似，H 波動方程： )1511 (012222tEE-E波動方程 )1411 (0222tEE1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波

33、動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 界面兩側(cè)電場法向分量躍變 電場切向分量連續(xù) 磁場切向分量躍變 磁場法向分量連續(xù) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) snnDD21)1711 ()(21sDDnnnBB21)181

34、1 (0)(21BBnttEE21)1911 (0)(21EEnsttJHH21)2011 ()(21sJHHn波動方程與邊界條件結(jié)合，定EM場分布。邊界條件： s, Js 電荷面密度和面I 密度n 法線向t 切線向 s, Js 為0 Dn, Ht 界面連續(xù) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 2220(1116)HHt 2220(1 1 14)EEt (1 1 1)(1 12)0(1 1 3)(1 14)

35、DHJtBEtBD 麥克斯韋方程： 波動方程： 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì) 問題：為什么光波是電磁波？ 1) 麥氏方程推導(dǎo)，電磁波在真空速度麥氏方程推導(dǎo)，電磁波在真空速度 smc800101074.31sm8103 實測真空光速實測真空光速 cv 2) 麥氏方程：電磁波在介質(zhì)中速度麥氏方程：電磁波在介質(zhì)中速度 cv （非鐵磁質(zhì)（非鐵磁質(zhì) =1） ncvvcn折射率折射率 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射,

36、受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) 如光波是電磁波，比較上兩式：ncvcv和n 測測無極分

37、子物質(zhì)無極分子物質(zhì): 計算與測量折射率很好符合；計算與測量折射率很好符合； 測測有極分子物質(zhì)：有極分子物質(zhì)： 用光波頻值，成立。用光波頻值，成立。 平時平時 低頻電場測量。低頻電場測量。 故麥克斯韋判定，光波電磁波。故麥克斯韋判定，光波電磁波。 麥氏關(guān)系麥氏關(guān)系太赫茲科學(xué)（太赫茲科學(xué)（THzTHz）THz Gap所有大分子的所有大分子的轉(zhuǎn)動和振動轉(zhuǎn)動和振動頻率頻率 E 和H 振動向 光傳播向k 平面內(nèi) E, H 互 E, H, k 右手螺旋關(guān)系 光是橫波光是橫波 能量密度與能流密度概念 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑

38、體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 時諧變電磁場概念 電場矢量與磁場矢量關(guān)系 平面波極化 光在介質(zhì)中傳播時傳播常數(shù) 光在自由空間中傳播是行波 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) 電磁波橫波，電磁波橫波，E, H 和和K（K 傳播向單位矢量）兩兩傳播向單位矢量）兩兩 HEHE0000 E 和和H 幅度成比例，復(fù)角等幅度成比例，復(fù)角等 S與w關(guān)系：221(1 1 21)21(1 1 22)2emwEwH (1 1 23)SEH (1 124

39、)Swv mewww1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 光是橫波 能量密度與能流密度概念能量密度與能流密度概念 時諧變電磁場概念 電場矢量與磁場矢量關(guān)系 平面波極化 光在介質(zhì)中傳播時傳播常數(shù) 光在自由空間中傳播是行波 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) 能量密度能量密度(w)：電磁場內(nèi)單位體積，電磁場內(nèi)單位體積，電場電場能量密度能

40、量密度(we)與與磁場磁場能量密度能量密度(wm)和和: 能流密度(S)：單位t 通過 光傳播方向單位面積能量坡印廷矢量坡印廷矢量 v光（電磁波）電磁波）在介質(zhì)傳播速度 00800113 10/vkcm s 介質(zhì)中真空中p 沿z傳播光波, 電場變化： - 光，沿光，沿z 傳播單位距離引相位變，傳播單位距離引相位變， 0-初位相初位相 0( , )cos()(1 125)mE z tEtz 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-

41、8輻射的經(jīng)典理論 光是橫波 能量密度與能流密度概念 時諧變電磁場概念時諧變電磁場概念 電場矢量與磁場矢量關(guān)系 平面波極化 光在介質(zhì)中傳播時傳播常數(shù) 光在自由空間中傳播是行波 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) 時諧變電磁場，復(fù)數(shù)方便： 00()()( , )ReRe(1 1 26)jtzjzj tmmE z tE eE ee 222)/(vk)2711(Re),(tjmeEtzE2220(1 1 14)EEt 解E波動方程: 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一

42、般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 光是橫波 能量密度與能流密度概念 時諧變電磁場概念 電場矢量與磁場矢量關(guān)系電場矢量與磁場矢量關(guān)系 平面波極化 光在介質(zhì)中傳播時傳播常數(shù) 光在自由空間中傳播是行波 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) )(0zjmeEmE Re-實部, 括號 定義復(fù)振幅, (1-1-26): 22( )( )0(1 1 28)E rk E r 復(fù)數(shù)，波動方程(1-1-14)： 亥姆霍茲方程，解諧場分布方程

43、。p 光真空傳播, )(120/000Z1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 光是橫波 能量密度與能流密度概念 時諧變電磁場概念 電場矢量與磁場矢量關(guān)系 平面波極化平面波極化 光在介質(zhì)中傳播時傳播常數(shù) 光在自由空間中傳播是行波 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) )2911 (/Zp 每對E 與H 復(fù)振幅比波阻抗： p 傳播向平面，

44、E 與H 。電場y 分量，磁場x 分量， Ey 與Hx 一組分量波，Ex 與Hy 另一組。 E, H, k滿足右手螺旋定則, + /p 無損耗介質(zhì), 實數(shù)，空間任點電與磁場同相位，電與磁場量瞬時值比=波阻抗。21/2()(1 1 30)j 理想介質(zhì), =0, 光傳播隨空間坐標(z)變化律 , 介電常數(shù)實數(shù); zje1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 光是橫波 能量密度與能流密度概念 時諧變電磁場概念 電場矢

45、量與磁場矢量關(guān)系 平面波極化 光在介質(zhì)中傳播時傳播常數(shù)光在介質(zhì)中傳播時傳播常數(shù) 光在自由空間中傳播是行波 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) -損耗系數(shù)， -相位常數(shù) 0)/1 (jc0)3111 (zjazee 非理想介質(zhì), , 介質(zhì)常數(shù)復(fù)數(shù), , 由(1-1-30), , 光在介質(zhì)傳播衰減, 光隨z變化律: /2 為 光, 沿z傳播單位距離相位變, . p 光傳播，場量（電例）在一方向振動，線性極化波。線性極化波。p 特點：x, y場量相位差0或 兩分量相位差不滿足兩分量相位差不滿足0或或 ，振動矢量方，振動矢量

46、方向隨光傳播變，向隨光傳播變，橢圓偏振光（圓），橢圓偏振光（圓），極極化研究光傳播特性化研究光傳播特性 p 部分透過，1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 光是橫波 能量密度與能流密度概念 時諧變電磁場概念 電場矢量與磁場矢量關(guān)系 平面波極化 光在介質(zhì)中傳播時傳播常數(shù) 光在自由空間中傳播是行波光在自由空間中傳播是行波 一、光的波動學(xué)說一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 麥克斯韋方程與波動方程2. 電磁波的有關(guān)

47、性質(zhì)電磁波的有關(guān)性質(zhì) 傳播遇介質(zhì)： p 部分反回。 p 滿足一定邊界條件，邊界條件，入射與反射波合成駐波，穩(wěn)定光強分布。 1 2 3 4 光波動學(xué)說： 解釋光干涉, 衍射成功成功； 輻射困難困難。 核心： 以光速c 傳播物質(zhì)單元光子組成。 光有波動，也有粒子性光子學(xué)說。 新學(xué)科：納米光子納米光子學(xué)學(xué) 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說二、光子學(xué)說 光子有動量P, )3311 (

48、0knhp3. 光子的簡并度光子的相干性4. 光子的相干性 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 光子的基本屬性光子的基本屬性2. 光波模式，光子態(tài)和相格 )3211 (h 光子有能量 , 0n0)/2(,2/nkh光子行進方向單位矢量,00m 光子有質(zhì)量m, 靜態(tài) 光子兩獨立偏振態(tài)，自旋。 )3411 (2 mc 動態(tài)質(zhì)量與能量關(guān)系v 微觀粒子: 測不準關(guān)系限

49、制, 位置與動量不同時確定：(1 1 35)xx ph -同時同時確定，-不精確精確確定 ）（37113zyxppphzyxv 三維坐標： 范圍，光子態(tài)不精確精確確定)3611 (3hpppzyxzyxv h3相體積(相格)光子分辨最小尺度, 光子態(tài)對應(yīng)不是點，相格（不是點，相格（六維空間體積），坐標空間體積： z 一光子占相體積h3, 空間V光子態(tài)數(shù): 234( )(1 339)p dpVG p dph )401(4)(233dcVndP光子兩偏振態(tài)：3238( )(1 1 41)nPddc 單位體積, 光子集合 范圍狀態(tài)數(shù)態(tài)密度。d態(tài)密度： 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說

50、1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 3. 光子的簡并度光子的相干性4. 光子的相干性 一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 光子的基本屬性光子的基本屬性 2. 光波模式，光子態(tài)和相格 24(1 138)p dpV z 空間V, 動量處pp+dp光子集合對應(yīng)相體積: cnhp/ddvcnhdp)/(z 以 (n折射率)及 代上式, 光子 范圍光子態(tài)數(shù)（態(tài)密度）： u有限空間，光子數(shù)按動量或 分布？ T 光束dt 內(nèi)占體積(ds c/n)dt(ds

51、光束截面積), 立體角 內(nèi), dt 通過ds 面積 在 范圍光子： dd222222( )(1142)nFd ddsdtd ddsdtd ddsdtc 相格： )4111 (8)(233dcndP光子有兩偏振態(tài)態(tài)密度：dsdtncddvPdsdtdvdvF4)()(1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 3. 光子的簡并度光子的相干性4. 光子的相干性 一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 光子的基本

52、屬性2. 光波模式，光子態(tài)和相格光波模式，光子態(tài)和相格 T 光子在一定立體角范圍行進，態(tài)密度乘 . 4/ 一相格代表光子量子態(tài)，不同電子，多光子處同量子態(tài)簡簡并，并，同量子態(tài)平均光子數(shù)光源光子簡并度。簡并度。 例: 可見光, , T=300K, , 常T光頻光子簡并度低, 特殊法光頻段獲高簡并度, 新光源光受激輻射光受激輻射(激光). m6 .03510n1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 3. 光子的簡并

53、度光子的相干性光子的簡并度光子的相干性4. 光子的相干性 一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 光子的基本屬性2. 光波模式，光子態(tài)和相格 )4311 (11/kThen 輻射體（黑體）處一狀態(tài)平均光子數(shù)： 光子服從波色波色愛因斯坦分布律，愛因斯坦分布律，允許兩個以上光子處同量子態(tài)，或同相格。 34 1 新光源單色亮度高, 2 3 大量光子處同量子態(tài), 確定運動方向, 和偏振相干相干光光, 比普通光多優(yōu)越性. 1-1光波動理論光波動理論與光子學(xué)說與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度

54、1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 3. 光子的簡并度光子的相干性4. 光子的相干性光子的相干性 一、光的波動學(xué)說二、光子學(xué)說二、光子學(xué)說 1. 光子的基本屬性2. 光波模式，光子態(tài)和相格 一、講授內(nèi)容(1) 二、前 言 第一章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)1-6 譜線形狀和寬度 1-5 自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射 1-4 黑體輻射 1-3 熱輻射的一般概念 1-7 均勻加寬和非均勻加寬 1-8 輻射的經(jīng)典理論 1-1 光的波動理論與光子學(xué)說1-2 物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1. 主量子數(shù)主量子數(shù) n2. 副量子數(shù)副量子數(shù) l 描述一電子微觀態(tài)多量子數(shù)表示: 1 2 3 4 主量子數(shù)

55、n 副量子數(shù) l 自旋量子數(shù) s 內(nèi)量子數(shù) j 5 軌道及自旋 動量矩在磁場向投影量子化, 磁量子數(shù)ml , ms及總動量矩磁 量子數(shù)mj 一、原子的微觀結(jié)構(gòu)一、原子的微觀結(jié)構(gòu)二、能量狀態(tài)的表示方法三、分子結(jié)構(gòu)及能量狀態(tài) 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài)能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 3. 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) s4. 內(nèi)量子數(shù)內(nèi)量子數(shù) j四、固體的能帶五、微觀粒子的統(tǒng)計分布規(guī)律 v 電子填充規(guī)律: 能量最低原理 泡利不相容原理 系

56、統(tǒng), 不能兩或兩個以上電子處同量子態(tài); 電子填充能級低, 低態(tài)填滿, 再填高態(tài). 兩規(guī)律符合, 殼層填充電子數(shù)不完全按上殼層微觀狀態(tài)數(shù)進行. 如: n=1-4, 填滿殼層電子數(shù)分別：2, 8, 8, 18， 電子繞核旋轉(zhuǎn)軌道不同，某些高殼層低電子能級比低殼層高電子能級更低能級交錯。能級交錯。 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài)能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、原子的微觀結(jié)構(gòu)二、能量狀態(tài)的表示方法二、能量狀態(tài)的表示方法三、分子結(jié)構(gòu)及能

57、量狀態(tài) 四、固體的能帶五、微觀粒子的統(tǒng)計分布規(guī)律 p 泡利不相容原理、p 能量最低原理； 支殼層能量由低到高： 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p 電子填充支殼層先后順序， 確定原子電子基本組態(tài)； Si（Z=14）基態(tài)電子組態(tài) 1s22s22p63s23p2簡3s23p2， 能級被電子填滿殼層省去；能級被電子填滿殼層省去；一3p 電子激發(fā)到4s 態(tài)， Si原子電子態(tài)；3s23p4s； 123磁性出現(xiàn)在有內(nèi)不滿殼層電子態(tài)元素，如： 鐵族鐵族3d，稀土4f 41-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài)能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻

58、射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、原子的微觀結(jié)構(gòu)二、能量狀態(tài)的表示方法二、能量狀態(tài)的表示方法三、分子結(jié)構(gòu)及能量狀態(tài) 四、固體的能帶五、微觀粒子的統(tǒng)計分布規(guī)律 分子總能: veWWWW)521.(2, 1, 0)21(nan，r0附近振動能級： )721 (1n振動狀態(tài)改變選擇定則: )921 (1m同一電子運動能量范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動能量轉(zhuǎn)動能量改變選擇定則： ）（621)21()21(2bnanWv振動位移大，互作用力不是準彈性力 )821 (,.2, 1, 0) 1(22mmmJhW，J轉(zhuǎn)動慣量 分子只轉(zhuǎn)動能量量子化

59、: 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài)能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、原子的微觀結(jié)構(gòu)二、能量狀態(tài)的表示方法三、分子結(jié)構(gòu)及能量狀態(tài)三、分子結(jié)構(gòu)及能量狀態(tài) 四、固體的能帶五、微觀粒子的統(tǒng)計分布規(guī)律 We電子運動能運動能 W 轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)動能W 振動能振動能固體能帶如何形成？構(gòu)成？ 能帶結(jié)構(gòu)形成： 1231 固體多原子組成，含原子核及多電子，電子運動態(tài)多體問題，無法嚴無法嚴格解。格解。 2 多體簡化多電子，簡化多電子，電子原子核勢場及其他電

60、子平均場運動，多電子簡化單電子運動簡化單電子運動態(tài)。態(tài)。1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài)能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、原子的微觀結(jié)構(gòu)二、能量狀態(tài)的表示方法三、分子結(jié)構(gòu)及能量狀態(tài) 四、固體的能帶四、固體的能帶五、微觀粒子的統(tǒng)計分布規(guī)律 原子間靠近，相互作用強。 運動致能級分裂，原孤立原子存在，能級離散，聚合，共有化電子占據(jù)同能級，不符合泡里不相容原理，互作用，一能級分成多接近能級，能帶。光學(xué)現(xiàn)象：電荷能帶間躍遷造成。 外層電子共