通信光电子学概述第一章.ppt

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1、第一章第一章 光与物质相互作用的基础光与物质相互作用的基础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1-3 热辐射的一般概念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1-1 光的波动理论与光子学说l 光是我们最熟悉的现象之一，我们的周围是一个充满光的世界，没有光人类就无法生活。那么，光是什么？光的本质是什么？这个问题很早就引起人们的注意，并且为此争论了几个世纪。17世纪 19世纪 19世纪末回目录回目录有关光本质争论的历史（17世纪）l 对于光的本质的认识，早在17世纪就形成了两种对立的学说，一种是以牛顿为首的微粒

2、说，他们认为光是直线传播的微粒；另一种是以惠更斯为首的波动说，他们认为光是在以太中传播的波动。这两种学说都可以解释一定的现象，但又显示不出那种理论更能优越。在当时，由于牛顿在科学界的威望极高，加之微粒说能较自然地说明光的直进现象，一时占了上风，致使惠更斯的波动说被忽视，甚至被遗忘近百年。回目录回目录有关光本质争论的历史（19世纪）l 到了19世纪，人们发现了光的干涉、衍射和偏振等现象，这些现象都是波动的特征，与微粒说格格不入，人们开始想起了惠更斯的波动说，但是他们臆造的传播光的以太介质，使得这种波动说仍然不能确切地描述光的本质。直到19世纪中期，电磁波理论的发展才确认光是一种电磁波，而不是惠更

3、斯的机械波。回目录回目录有关光本质争论的历史（19世纪末）l 19世纪末，在研究黑体辐射过程中，普朗克首先提出了光波能量是不连续的，这种量子称做光子，它的能量为 （是频率）。于是，光的波动理论告诉我们，光是频率为的电磁波，而量子理论则说明一定频率的光对应一定能量的光子，他们之间有上面给出的关系，这就是波粒二重性。至此，将光的波动性和粒子性雄辩地统一起来，就会令人满意地解释发生的各种光学现象。但是人们对光本质的认识仍不能说已经最后完成，认识还将继续深化。h回目录回目录波动学说波动学说l 麦克斯韦的电磁波理论指出，光就是波长很短的电磁波，因此，电磁波的一些基本知识也适用于光波。回目录回目录波动学说

4、（续）波动学说（续）麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组：微分形式：微分形式：积分形式：积分形式：tDJHcssSdtDSdJdlHtBEcsSdtBdlE0 BD0cSdBqSdDc全电流方程全电流方程电磁感应定律电磁感应定律磁通连续性原理磁通连续性原理高斯通量方程高斯通量方程回目录回目录波动学说（性质）波动学说（性质）l 时变电场是有旋有散的，因此电力线可以是闭合的，也可以是不闭合的。闭合的电力线和磁力线相互铰链，不闭合的电力线以正电荷出发，中止于负电荷，而时变磁场线则是有旋无散的，因此磁力线总是闭合的，闭合的磁力线与电流（包括真实电流与位移电流）相互铰链。l 在没有真实电流，也没有电荷的无源区

5、（如自由空间）中，时变电场和时变磁场都是有旋无散的，它们相互铰链，自行闭合。即变化的电场会激起变化的磁场，变化的磁场也会激起变化的电场。因此，在时变电磁场中，既使将在媒质中曾经产生过时变电场的源都撤去，变化的电场与变化的磁场之间也要相互激发，相互转化，并把这种激发和转化以有限的速度向远方传播，于是就形成了电磁波动。回目录回目录波动学说（性质波动学说（性质/续）续）l 在实际运用中，场源场量大多是随时间作正弦变化（或余弦变化）的函数，因此，在讨论光与物质相互作用的特征时，常常将光波作为简谐波处理，具有一定的波长，频率，传播速度，振幅和相位等。为了简化问题起见，进一步假设光波是以均匀平面波的形式传

6、播的。l 例如：一个沿z方向传播的光波，其电场变化规律可以写成 这个波的等相位面是平面，且平面上场量的振幅处处相等（与x，y方向的坐标无关），场量除了是时间的函数外，在空间坐标上仅是表示等相位面所在位置的唯一坐标变量（z）的函数。)cos(),(0rktEtzE回目录回目录波动学说（性质波动学说（性质/续）续）l式子中，是振幅，是波矢量，它决定波的传播方向（方向满足右手螺旋定则），r是从原点到波平面上任一点的矢量。在传播方向上相邻极大值的距离为波长 ，如果极大值处于 与 处，则：0EkkHE、lmlm1)(cos)cos(lmktlmkt2klmkklm2k0nkk即（为光子前进方向上的单位矢

7、量，在往后课程中经常出现，被称为波矢常数）讨论平面波的传播规律较为简单，也具有普遍意义，因为任何一种复杂的波形都可以分解为平面波的叠加。回目录回目录光子学说（光子学说（光子的基本属性光子的基本属性）l光子学说的核心就是光是由一些以光速传播的物质单元光子所组成。光子的基本属性有：smsmsmC/100.3/10998.2/1099792458.2888光速：a.光子具有能量，这种能量与一定的光频率相对应：b.光子具有动量P，这种动量与一定的光波长、一定的传播方向相对应 为光子行进方向上的单位矢量，而：c.光子具有质量 ，但光子静态质量 ，动态质量与能量的关系为d.具有线偏振和圆偏振两种独立的偏振

8、态；e.具有自旋态。hvkhnvhp00n0)2(,2nkhhm00mhvmc2回目录回目录光子学说（光子学说（光子的基本属性光子的基本属性/续续）l 某一时刻光的状态，可用电场矢量、磁场矢量和传播矢量来描述。电磁波在真空中传播的速度称为光速，以C表示。l 激光精密测量光速值为 ，以光速表示在折射率为n的介质中传播的电磁波速度为v=c/n。通常，介质的折射率是频率f的函数，因此，电磁波改变时，折射率也随之改变。在可见光的情况下，频率改变就是颜色的改变，由此可以解释折射率色散（也称色散）和光学透镜的色差。此外，介质的介电常数用 ，真空的介电常数用 表示时，则有：smC/1099792458.28

9、00n回目录回目录光子学说（光子学说（光子的基本属性光子的基本属性/续续）l C2.998108米/秒3108米/秒。即每秒传播30万公里。在任何介质中，电磁波传播的速度要比C慢。在空气中传播的速度V和C相差极微，因此通常也近似地把它当作C。同一种频率的电磁波在不同介质中的传播速度是不一样的。若某频率的电磁波在介质中的传播速度为V，则C与V的比值称为这种介质对这种频率的电磁波的折射率。回目录回目录光子学说（光子学说（测不准测不准原理）l 宏观的质点可以用三个位置坐标和三个动量坐标构成相空间的一点表示，也就是说，在多维空间中，宏观质点的运动状态可以精确确定。但是由于光子具有波粒二象性，不能用实验

10、来同时确定其位置与动量，也就是说光子的位置和动量都存在着不确定性。用X表示X方向的不确定量，用PX表示X方向动量的不确定量，则XPXh（普朗克常数），这就是1927年海森伯（W.heisenberg）提出的“测不准关系”的数学表达式。回目录回目录光子学说（光子学说（测不准测不准原理/续）l 从上式知，我们决定粒子的坐标愈准确，则决定粒子在这坐标方向的动量分量准确度愈差，反之亦然。（能量与时间的测不准关系式，E是能量不确定量，t是过程进行时间，Eth，测不准关系的重要性，在于它指明了经典力学中的力学量概念在微观世界的适用程度，或者说，在微观世界中使用经典粒子的概念有一个限度。这个限度用普朗克常数

11、h表征，当h0时，量子力学将回归到经典力学，或者说量子效应可以忽略。测不准关系常定性地估计体系的主要特征，而不需要事先知道波函数的具体形式。）回目录回目录光子学说（光子学说（测不准测不准原理/续）l 如将 考虑在内，则测不准关系式为：l 反过来说，在 范围内的光子状态是不能精确确定的，称为相体积（或相格），即光子所能被分辨的最小尺度。所以光子的状态对应的不是一点，而是一个相格，占有六维空间的体积，相应的坐标空间的体积为：zyppz3hpppzyxzyx3hpppzyxzyx3hzyxppphzyx/3回目录回目录光子学说（光子学说（简并度简并度）l 一个相格代表一种光子的量子态，但光子与电子不

12、同，可以有多个光子处于同一种量子态，这种现象叫做简并，处于同一量子态的平均光子数目称为光源的光子简并度。11/kTkven回目录回目录光子学说（光子学说（简并度简并度）l 显然，频率较低时，较高，v增大后，逐渐降低，例如：对于 的可见光，当T300k时，即一般情况下（常温），光频段光子的简并度是很低的。但使用特别的方法，有可能在光频段获得极高的简并度，形成一种新的光源，这就是后面要介绍的受激辐射现象。这种新光源发出的光，单色亮度高，大量光子处于相同的量子状态，有确定的运动方向、频率和偏振，称之为相干光，也就是激光，比起通常情况下存在的非相干光有许多优越性。l 本课程实际就是讲解激光产生的机理、

13、产生装置、传输特性、调制特性，检测原理及应用等。nnm6.03510n回目录回目录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 l 关于“原子的微观结构”，“能量状态的表示方法”、“分子结构及能量状态”等，已在化学、普通物理等课程中学过，本课堂只简单地讲解一下“固体的能带”和“微观粒子的统计分布规律”，因为这两部分与课程后面的内容联系较多。回目录回目录1.2.1电子微观状态的描述量子数电子微观状态的描述量子数l（1）主量子数nl（2）副量子数ll（3）自旋量子数s 其值常取1/2l（4）内量子数j回目录回目录1.2.2能量状态表示方法能量状态表示方法l一般原则：对每一个电子，都可以

14、用量子数表示其微观状态；主量子数，用1，2，3，分别表示壳层的序号；副量子数，用s，p，d，f，g，h等分别表示l0，1，2，3，4，5各个状态；表示总动量矩的内量子数用l1/2和l1/2表示。l电子填充能量状态的两个基本规律：a.泡里不相容原理 b.能量最低原理回目录回目录1.2.3 固体的能带固体的能带l（1）能带理论的形成l（2）能带理论简述l（3）半导体回目录回目录1.2.4 微观粒子的统计分布规律微观粒子的统计分布规律 l （1）麦克斯韦速度分布率 适用范围：理想气体即热平衡状态下，气体分子间的相互作用可忽略。分布在任一速率区间内的分子的比率为：速率分布函数为：232224()2mv

15、kTdNmev dvNkT23222()4()2mvkTmf vevkT回目录回目录1.2.4 微观粒子的统计分布微观粒子的统计分布 规律（续）规律（续）l（2）波尔兹曼分布律 波尔兹曼分布律是表示微观粒子按能量分布的规律l（3）费密分布律 适用范围：服从泡里不相容原理的粒子（电子，质子，中子等）/iEkTiiNg e()/1()1FE ETf Ee回目录回目录1.2.4 微观粒子的统计分布微观粒子的统计分布 规律（续）规律（续）l（4）玻色分布律 适用范围：不满足泡里不相容原理的粒子（光子、介子等）()/1()1BE EkTf Ee回目录回目录1-3 热辐射的一般概念热辐射的一般概念n3.1

16、 3.1 热辐射现象热辐射现象 回目录回目录回目录回目录 任何物体的温度在高于绝对零度时都任何物体的温度在高于绝对零度时都能产生辐射能产生辐射,这种辐射就叫做热辐射。热辐这种辐射就叫做热辐射。热辐射射是物体以电磁波形式向外发射能量的过是物体以电磁波形式向外发射能量的过程，物体被称为辐射源；程，物体被称为辐射源；研究物质对电磁波的发射和吸收的特研究物质对电磁波的发射和吸收的特性为热辐射理论的主要内容。性为热辐射理论的主要内容。一个物体的热辐射包含了许多不同波一个物体的热辐射包含了许多不同波长的电磁波长的电磁波,其具体的能量分布情况与温度其具体的能量分布情况与温度有密切关系。有密切关系。辐射亮度辐射亮度 辐射强度辐射强度辐射出射度辐射出射度辐射通量辐射通量 辐射能量密度辐射能量密度 222EHeeQeteeAMeeI 2coscoseeIeAAL 3.2 3.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量单色辐射强度单色辐射强度单色辐射出射度单色辐射出射度单色辐射能量密度单色辐射能量密度 单色辐射能量单色辐射能量 辐射照度辐射照度 eed eMedM eIedIeeAE eedn3.3 3.3