光电子学 (第一章2)

1、 光电子学 第一章 光与物质相互作用基础 第二讲 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麦克斯韦方程导出波动方程；麦克斯韦方程导出波动方程；世界上最伟大十个公式；世界上最伟大十个公式；为什么光波是电磁波？为什么光波是电磁波？ 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 1-2 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1-3 热辐射的一般

2、概念热辐射的一般概念 黑体辐射实验规律及描述式 描述热辐射物理量 自发辐射受激辐射受激吸收意义 1 3 2 p 定义：物体T 0K产生辐射，热辐射辐射，热辐射、T 辐射。辐射。 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 p 热辐射：物体以EM波发射能量，物体辐射源，物体接受辐射的EM电磁波。 p 物质对EM波发射和吸收热辐射理论。p 辐射包括： EM波，能量分布与T 相关。一、热辐射现象一、热辐射现象 二、描述辐射场的

3、物理量 三、光度量 四、基尔霍夫定律 1. 辐射能量密度辐射能量密度 we 2. 辐射通量 e 3. 辐射出射度 Me p EM辐射通过区域任时刻辐射能，单位体积辐射能： 22(13 1)2EHw1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 4. 辐射强度 Ie 5. 辐射亮度 Le 6. 辐射照度 Ee 10. 单色辐射强度 Ie() 11. 单色辐射亮度 Le() 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度

4、we() 8. 单色辐射通量 e() 9. 单色辐射出射度 Me( ) p 单位：J m-3 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 p 辐射源单位t 通过某面积辐射能：(1 32)eeQt 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 辐射能量密度 we 2. 辐射通量辐射通量 e 3. 辐射出射度 Me 4. 辐射强度 Ie 5. 辐射亮度 Le 6. 辐射照度 Ee 10. 单色辐射强度

5、Ie() 11. 单色辐射亮度 Le() 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度 we() 8. 单色辐射通量 e() 9. 单色辐射出射度 Me( ) u 单位W 或Js-1，辐射能流辐射能流单位 u e总辐射通量、辐射功率。总辐射通量、辐射功率。 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 p 物体表面单位面积辐射通量，发射本领、辐射通量密度发射本领、辐射通量密度， 2(1 33)eeeQMAA t 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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

6、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 1. 辐射能量密度 we 2. 辐射通量 e 3. 辐射出射度辐射出射度 Me 4. 辐射强度 Ie 5. 辐射亮度 Le 6. 辐射照度 Ee 10. 单色辐射强度 Ie() 11. 单色辐射亮度 Le() 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度 we() 8. 单色辐射通量 e() 9. 单色辐射出射度 Me( ) u A面积面积, u 单位单位Wm-2 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 p 辐射源某方向单位立体角辐射通量，R A = (A/R2)立体角，A与R 某面元面积，R点源至某面元

7、距离，有方向2(1 34)eeeQIt 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 辐射能量密度 we 2. 辐射通量 e 3. 辐射出射度 Me 4. 辐射强度辐射强度 Ie 5. 辐射亮度 Le 6. 辐射照度 Ee 10. 单色辐射强度 Ie() 11. 单色辐射亮度 Le() 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度 we() 8. 单色辐射通量 e() 9. 单色辐射出射度 Me( ) 各向同

8、性点辐射源，Ie= e/4 ，单位Wsr -1 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 2( )(1 3 5)(cos )coseeeILAA p 面辐射源某方向单位投影表面单位立体角辐射通量： 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 面元法线与辐射向夹角1. 辐射能量密度 we 2. 辐射通量 e 3. 辐射出射度 Me 4. 辐射强度 Ie 5. 辐射亮度辐射亮度 Le 6. 辐射照度 Ee

9、 10. 单色辐射强度 Ie() 11. 单色辐射亮度 Le() 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度 we() 8. 单色辐射通量 e() 9. 单色辐射出射度 Me( ) Le 方向性。辐射源，Le( )与 无关，朗伯源，余弦辐射体朗伯源，余弦辐射体 朗伯源辐射强度 I( )=I0cos 0 Le( )=L0，L0 =0亮度， 单位Wm-2sr-1（球面度） 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 单位受光面积接收辐射通量： (1 36)eeEA 上六个量未涉及上六个量未涉及辐射频谱；辐射频谱； A 受光面积，单位Wm-2 1-1光波动理论与光子学说

10、1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 辐射能量密度 we 2. 辐射通量 e 3. 辐射出射度 Me 4. 辐射强度 Ie 5. 辐射亮度 Le 6. 辐射照度辐射照度 Ee 10. 单色辐射强度 Ie() 11. 单色辐射亮度 Le() 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度 we() 8. 单色辐射通量 e() 9. 单色辐射出射度 Me( ) 辐射场不同辐射场不同EM波组成，辐射场特性，与单一波组成，辐射场特性，与单

11、一 有关物理量。有关物理量。 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 p EM波辐射通过区域单位体积 +d 辐射能，与辐射能量密度关系： ( )(1 37)eewwd 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 辐射能量密度 we 2. 辐射通量 e 3. 辐射出射度 Me 4. 辐射强度 Ie 5. 辐射亮度 Le 6. 辐射照度 Ee 10. 单色辐射强度 Ie() 11. 单色辐射亮度

12、Le() 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度单色辐射能量密度 we( ) 8. 单色辐射通量单色辐射通量 e( ) 9. 单色辐射出射度 Me( ) 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 物体表面发 +d 辐射通量 ( )(1 38)eed 与辐射通量关系： ()(139)eeMMd物体表面发 +d 辐射出射度1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 辐射能量密度 we

13、2. 辐射通量 e 3. 辐射出射度 Me 4. 辐射强度 Ie 5. 辐射亮度 Le 6. 辐射照度 Ee 10. 单色辐射强度单色辐射强度 Ie( ) 11. 单色辐射亮度 Le() 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度 we() 8. 单色辐射通量 e() 9. 单色辐射出射度单色辐射出射度 Me( ) 与辐射出射度关系： 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 ()(1310)eeIIdp 辐射源，发 +d 辐射强度。p 与辐射强度关系： 面辐射源，发 +d 辐射亮度； ( )(1 3 11)eeLLd 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结

14、构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 辐射能量密度 we 2. 辐射通量 e 3. 辐射出射度 Me 4. 辐射强度 Ie 5. 辐射亮度 Le 6. 辐射照度 Ee 10. 单色辐射强度 Ie() 11. 单色辐射亮度单色辐射亮度 Le( ) 三、光度量 四、基尔霍夫定律 7. 单色辐射能量密度 we() 8. 单色辐射通量 e() 9. 单色辐射出射度 Me( ) 与辐射亮度关系： 可微分定义。 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场

15、的物理量 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量二、描述辐射场的物理量 三、光度量 四、基尔霍夫定律 u人眼视觉细胞人眼视觉细胞光探测装置，光探测装置，不同不同 辐射不同响应，同辐辐射不同响应，同辐射通亮照眼睛，不同亮暗觉。射通亮照眼睛，不同亮暗觉。 反映视觉亮暗特性光度量体系。 光辐射度量（下标 e） 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热

16、辐射一般概念般概念 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、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量 三、光度量三、光度量 四、基尔霍夫定律 光度量v，Qv， v，Mv，Ev，Iv，Lv 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量 三、光度量三、光度量 四、基尔霍夫定律 两度量转换，描述两度量转换，

17、描述辐射度量辐射度量与与光度量光度量关系：关系： 同 测光与辐射通量比，K( )：单位lm /W ( )(1 3 12)veK v-光度量e-光光辐射量 1. 光谱光视效能光谱光视效能 2. 光谱光视效率 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量 三、光度量三、光度量 四、基尔霍夫定律 3. 光视效能 p 某 光谱光视效能与最大光谱光视效能Km 比，V( )： ( )( )(1

18、3 13)mKVK 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 光谱光视效能 2. 光谱光视效率光谱光视效率 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量 三、光度量三、光度量 四、基尔霍夫定律 3. 光视效能 p Km 555nm光谱光视效能， Km=683 lmW-1 p V( )视见函数，或=1； p 眼睛生理特点， 响应白天和夜晚有别； 眼睛眼睛: 白天白天响应峰响应峰550nm (1)； 夜间夜间响应偏短响应偏

19、短 ，峰，峰 500nm (2) 夜晚夜晚 白天白天V( )=1( =550nm) V( )=0.323( =500nm) 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 光谱光视效能 2. 光谱光视效率光谱光视效率 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量 三、光度量三、光度量 四、基尔霍夫定律 3. 光视效能 p 光谱光视效率： u 明明和和暗视觉暗视觉响应曲线。响应曲线。 00( )(1 3 14)emVeeK V

20、dKd 辐射体发 光通量与辐射通量比： 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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 1. 光谱光视效能 2. 光谱光视效率 一、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量 三、光度量三、光度量 四、基尔霍夫定律 3. 光视效能光视效能 u 吸收吸收与总入射能总入射能比光谱吸收比（吸收系数），光谱吸收比（吸收系数）， ( , T) u 反射与总入射能比反射比（反射系数），反射比（反射系数）， ( , T) u ( , T)+ (

21、, T)=1 (1-3-15) 德国物理学家 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量 三、光度量 四、基尔霍夫定律四、基尔霍夫定律 p 物体发射EM波： u 对外外EM波：波：可吸收，反射吸收，反射和透射；透射； u 对不透明物体：不透明物体：只吸收和反射。 p T, +d 辐射：p 单色吸收比和单色反射比随物体或表面不同。 p 基尔霍夫1860发现，物体辐射出射度辐射出射度与

22、光谱吸收比光谱吸收比关系。研究普适恒量对了解辐射有意义，研究绝对黑体辐射律解决。1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一热辐射一般概念般概念 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、热辐射现象 二、描述辐射场的物理量 三、光度量 四、基尔霍夫定律四、基尔霍夫定律 p 单色辐射出射度Me ( , T)大，吸收系数 ( , T)大， 比Me( , T)/ ( , T)与物体性质无关，T， 定。 p 如：多物体互作用热平衡，任 Me( , T)/ ( , T)不变：)1631 (

23、),(),(),(),(),(2211 恒量TMTTMTTMe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 1-3 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1-4 黑体辐射黑体辐射 一、空腔热辐射一、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律 绝对黑体任T 把照其上任 辐射全吸收（ ( , T)=1）物体；理想模型。 开小孔腔热辐射，开小孔腔热辐射，腔辐射黑体特征，腔辐射黑体特征，腔把进入辐射能全吸收，腔把进入辐射能全吸收， ( , T )=1（光波导原理）光波导原理）

24、1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑黑体辐射体辐射 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 三、维恩公式和瑞利金斯公式 四、普朗克公式 腔壁加热，恒温，小孔射出辐射相当从面积=小孔孔面，T 绝对黑体表面射出T； 记辐射 单色辐出度，单色辐出度，得绝对绝对黑体单色辐出度按黑体单色辐出度按 分布曲线；分布曲线；Me, B ( , T) 1. 斯忒藩斯忒藩 波耳兹曼定律波耳兹曼定律2. 维恩位移定律 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念

25、1-4黑黑体辐射体辐射 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、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律 三、维恩公式和瑞利金斯公式 四、普朗克公式 3. 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律每曲线同每曲线同T，单辐度按 分布， 热力学理论得实验定律：热力学理论得实验定律：黑体辐出度Me, B( , T )与T4成正比， 4,( )(1 4 1)e BMTT 斯忒藩常数，4281067. 5KmW 波尔兹曼1844-1906奥地利物理学家斯忒藩1835-1893 奥地利物理学家 1-1光波动理论与光子学说 1

26、-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑黑体辐射体辐射 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 1. 斯忒藩斯忒藩 波耳兹曼定律波耳兹曼定律2. 维恩位移定律 一、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律 三、维恩公式和瑞利金斯公式 四、普朗克公式 3. 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律斯忒藩斯忒藩波耳兹曼定律波耳兹曼定律每曲线有Me, B( , T)最大值， m，与T 关系： (142)mTbKmb310897. 2维恩1864-1928德国物理学家热辐射律维恩位移定律维恩位移定律和建立黑

27、黑 体体辐射维恩式，1911诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑黑体辐射体辐射 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 1. 斯忒藩 波耳兹曼定律2. 维恩位移定律维恩位移定律 一、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律 三、维恩公式和瑞利金斯公式 四、普朗克公式 3. 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律T ， m小，辐射能高 移，不同T m b维恩常数，1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般

28、概念 1-4黑黑体辐射体辐射 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 1. 斯忒藩 波耳兹曼定律2. 维恩位移定律维恩位移定律 一、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律 三、维恩公式和瑞利金斯公式 四、普朗克公式 3. 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律光谱辐射亮度光谱辐射亮度 L- ，维恩位移定律（原，维恩位移定律（原M- ） 绝对黑体总辐出度与T关系（曲线面积）5,(, )(1 43)e BmMTC T 5121510301. 1KmcmWC斯忒藩波耳兹曼定律4,( )(1 4 1)e BMTT维恩位移

29、定律(142)mTb绝对黑体辐出度分布曲线峰定律 5,(, )(1 43)e BmMTC T 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑黑体辐射体辐射 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 1. 斯忒藩 波耳兹曼定律2. 维恩位移定律 一、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律 三、维恩公式和瑞利金斯公式 四、普朗克公式 3. 绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律绝对黑体辐射出射度分布曲线峰值定律绝对黑体辐出度峰峰Me, B( m, T)与T5成正比， 三定律：

30、峰 与T关系 峰 对应辐出度峰与T 关系 不由热力学得出，气体分子辐射气体分子辐射 只与速度有关只与速度有关 )(),(55,TccTMBe)(Tc2,5( , )(144)cTe BcMTe黑体辐射实验曲线求表达式，物理学家得：黑体辐射实验曲线求表达式，物理学家得： 1. 维恩公式维恩公式2. 瑞利 金斯公式得维恩公式： 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑黑体辐射体辐射 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、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律 三、维恩公式和瑞利三、

31、维恩公式和瑞利金斯公式金斯公式 四、普朗克公式 维恩维恩热力学证明黑体辐射谱： , 常数，与实验比：与实验比： 高频高频符合好，符合好， 低频低频偏离。偏离。不能反映辐射律；不能反映辐射律；)541)(,(4),(,TwcTMBe4/8),(Tw 含振子动能动能和势能，势能，经典统计 ：kT)641 (2),(4,kTcTMBe辐射w 按 分布实验（实）和瑞利金斯式算曲线（虚） 1-1光波动理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑黑体辐射体辐射 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 1.

32、 维恩公式2. 瑞利瑞利 金斯公式金斯公式一、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律 三、维恩公式和瑞利三、维恩公式和瑞利金斯公式金斯公式 四、普朗克公式 金斯1877-1946英国物理学家 瑞利1842-1919英国物理学家 瑞利瑞利按EM理论，理论，黑体Me, B ( , T)与腔EM场能密度w( , T)关系：w( , T)与带电振子能量 关系：瑞利瑞利-金斯式金斯式曲线与实验比：长波长波符合好，符合好，短波短波有误，有误，能量随能量随 变短趋无穷谬论。变短趋无穷谬论。 (1-4-6)不能反映辐射律。不能反映辐射律。 著名紫外灾难 经典物理无法解释黑体辐射律，1900普朗克设：设：辐射能不连续

33、，能量子假设。 )841 (112),(52,kThcBeehcTM黑体辐射单色辐出度： 长波： kTh )/(1)/exp(kThkTh)741 (118),(/33kThechTw)641 (2),(4,kTcTMBe普朗克变普朗克变瑞利-金斯公式：普朗克式反映黑体辐射律。普朗克式反映黑体辐射律。 三公式关系：k =1.38110-23 J / K h =6.62610-34Js 黑体辐射能密度： 短波： kTh 1)/exp(kTh普朗克变维恩式； )441 (),(52,TcBeecTM)541)(,(4),(,TwcTMBeMe, B( , T)与w ( , T )关系 1-1光波动

34、理论与光子学说 1-2物质微观结构与能量状态 1-3热辐射一般概念 1-4黑黑体辐射体辐射 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、空腔热辐射二、黑体辐射的实验规律 三、维恩公式和瑞利金斯公式 四、普朗克公式四、普朗克公式 光与物质相互作用基础 11-6 谱线形状和宽度 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1-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射 概念（注概念及区别）：注概

35、念及区别）： 物质原子，分子和离子微观粒子 组成，每粒子一定能态。 p 由量子力学，粒子占分立能级。 p 热平衡：粒子低能态；粒子低能态； p 受激励：粒子粒子高高能态。能态。 p 一能态变另能态跃迁。 a, 不吸收和发射光子不吸收和发射光子无辐射跃迁；无辐射跃迁；碰，热量传递碰，热量传递状态变；不属光电子学内容；不属光电子学内容； b, 物质与光互作用辐射跃迁，原子能级变，吸收和发射光实现。 三种： 自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收 受激辐射受激辐射一、自发辐射一、自发辐射二、受激吸收 1-1光波动理论与光子学说 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

36、辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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 三、受激辐射四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别发能发能h 光子光子 hEE/ )(12) 151 (1)(22121ndtdnA自发辐射A21爱因斯坦自发辐射系数，爱因斯坦自发辐射系数， E2 粒子单位粒子单位 t 自发跃迁几率。自发跃迁几率。 1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加

37、宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、自发辐射一、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别原子高原子高E2 停短停短t 自发自发向向低低E1 跃迁跃迁(a)。 自发跃迁几率A21 ：单单位位t，E2 能级能级n2 粒子中粒子中自发跃迁粒子与自发跃迁粒子与n2 比比 E2 能级下能级下E1，dt，高，高E2自发辐自发辐射跃迁到低射跃迁到低E1粒子粒子dn21, A21： u 得221212(1 52)dndnA ndtdt )351 ()(2020221ttAenentn上寿命粒子在粒子数，时为221220)/1 (0EAEtnE

38、2粒子数随粒子数随 t ，负负 p 符合符合跃迁几率选择定则两能级间两能级间A21为为107-108/s p 红宝石晶体产生激光红宝石晶体产生激光Cr离子离子上下能级A21仅102/s 1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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、自发辐射一、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别u 自发跃迁A21 原子性质定，外界激励无关，u E2只向E1跃

39、迁， u 自发跃迁高能级原子指数衰减。 p 每粒子跃迁发每粒子跃迁发h 光子，光子，辐射功率： dttnAdn)()(2212)451 ()()()(212102021202121tAtAeIenAhtnAhdttdnhtI1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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、自发辐射一、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别p 自发辐射，某刻自发辐射

40、，某刻 粒子数：粒子数： hAnI21200p ，t =0辐射功率； p 自发辐射强度外界激励停，指数律衰减。自发辐射强度外界激励停，指数律衰减。 p 自发辐射发自发辐射发荧光（普通光）区别普通光）区别激光。 荧光: p 香灯发光， 范围都可，萤火虫夜晚发光亮； p 古瓷画面，古瓷画面，日久空气流动磨损及气温影响，釉面分子散失，成玉似脂光泽，“莹光”或“酥光” p 矿石矿石白天吸光，自身散发光莹光（夜明珠）； 荧光与激光区别 1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 1-6谱线

41、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、自发辐射一、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别 激光: p 单色强，特 ，受激发射受激发射光扩大。表制造激光过程p 单色辐射w( )照射，单位体积E1跃到E2粒子： 外辐射场含 =(E2-E1)/h电磁波，低E1粒子受光子激发，跃迁到高E2受激吸收(b) )551 ()(11212dtnwBdn1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 1-6谱线

42、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、自发辐射二、受激吸收二、受激吸收 三、受激辐射四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别 爱因斯坦受激吸收系数B12E2E1h如： ，仿自发辐射： )(1212wBW）（受激吸收6511)()(1121212ndtdnvwBW1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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、自发辐射二、受激吸收二、受激吸收 三、受激辐射

43、四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别W12意义： 单位单位t 单色辐射单色辐射w( )光照，受激吸收光照，受激吸收E1跃到跃到E2粒子与粒子与E1总粒子比；总粒子比； 理解：每处每处E1粒子粒子w( )光照单位光照单位t受激吸收几率。受激吸收几率。受激吸收与受激吸收与原子原子性质、外辐射场有关（性质、外辐射场有关（A21原子性质定，外激励无关）原子性质定，外激励无关） 爱因斯坦量子理论，辐射场照物质粒子高能级E2，受激辐射。 外来 ，入射光激发，E2粒子回E1，放h 光子(c)，光子 ，振动方向，相位与外来光子一一致激光奠定理论。激光奠定理论。 hEE/ )(1

44、2p 外辐射场作用物质，与受激吸收反。 1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射三、受激辐射四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别E2E1hh仿受激吸收： )751 (1)()(2212121ndtdnwBW受激辐射W21：单位t单色辐射w( )光照，受受激辐射激辐射高E2跃E1粒子与E2总粒子比，E2粒子单位t 受激发射几率。 1-1光

45、波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射三、受激辐射四、A21，B12 和 B21 的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别B21爱因斯坦爱因斯坦受激辐射系数，系数，u 腔内粒子满足波尔兹曼分布律：u T 空腔，辐射场与物质平衡，三种辐射存在；)851 ()(121212kTEEeggnn)951 ()()()(122121受激吸收受激辐射自发辐射dtdndtdndtdn)105

46、1)()(121212212wBnwBnAn)741 (118),(/33kThechTw黑体辐射普朗克公式1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射四、四、A21，B12 和和 B21 的关系的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别u 腔内辐射场热平衡黑体辐射普朗克式， u g1, g2是E1, E2微观量子态数能级简并度，热平衡E1，E2粒子不断变，n2(n1)不变：

47、u 或：(1-5-8)和(1-5-10): )1151 (11)(122211122121kTEEegBgBBAw)1251 (83332121chBA辐射场单色辐射能量密度 )1351 ( 1212121gBgB)851 ()(121212kTEEeggnn)1051)()(121212212wBnwBnAn1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射四、四、A21，B

48、12 和和 B21 的关系的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别)741 (118),(/33kThechTw黑体辐射普朗克公式与普朗克式 比较： p g1=g2： )1251 (83332121chBA)1551 ()1451 (21122112WWBB1-1光波动理论与光子学说 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自发辐射自发辐射, 受激吸受激吸收和受激辐射收和受激辐射 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、自发辐射二、受激吸收 三、受激辐射四、四、A21，B12 和和 B21 的关系的关系 五、受激辐射与自发辐射的区别光介质传速 c，(1-5-12)折射率 避与粒子数密度n 混 p 爱因斯坦受激吸收系数B12=受激辐射系数B21(1-5-14)； p 单位t单色辐射w( )照受激吸收E1跃到E2粒子与E1总粒子比=单位t单色辐射w( )照受激辐射高E2跃