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物理与微电子科学学院School of Physics and MicroelectronicsScience描述辐射场的几个物理量为什么要考虑辐射频谱？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；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 11-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射 1-4 黑体辐

2、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1-6 谱线形状和宽度谱线形状和宽度 均匀加宽非均匀加宽 谱线加宽原因？ 辐射理论（经典、半经典） 1 3 2 一、谱线加宽与线型函数一、谱线加宽与线型函数二、自然加宽的线型函数的推导 u 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； u 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? p 原（分）子阻尼振动，粒子发光，一段t 发射有限波列； p 波形频谱，若干简谐波叠，

3、跃迁发EM波分布中心 附近小 范围单色波组合，谱线宽度。 1. 经典的观点经典的观点2. 量子力学的观点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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 三、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。 htE粒子自发辐射发光增宽粒子自发辐射发光增宽不可避免不可避免自然加宽，自然加宽，谱线宽谱线宽 vN 问题: 自然加宽自然加宽? 意义意义? 粒子表示 E1E2E2E1E1(a) E2E

4、1 (b) (c)能级表示能级表示 E1 E2E2 E1 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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、谱线加宽与线型函数一、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： 0)()(IIg）（1611)(d

5、gdgIdI)()(0g(v)从最大从最大(vo) 一半一半, 对应对应 范围。范围。 2/ )()2/(00gg区分能级简并度区分能级简并度g! 为什么g(v)跃迁几率按 分布函数? 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谱线形状谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、谱线加宽与线型函数一、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

6、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E2粒子n20，t 后： )()(2tEtI衰减因子=自发跃迁几率 211 65A（）tAentn21202)(tAenhAhtnAtI21200210221)()(212210200( )1 64A ttI tA hn eE e（）比较 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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、谱线加宽与线型函数二、自然加宽的线型函数的推导二、自然加

7、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，0220( )(1 63tjtE tE ee ）自然加宽谱线宽度： 21(1 6 19)2N 见教材！ 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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、谱线加宽与线型函数二、自然加宽的线型函数的推导二、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，小，谱线宽谱线宽窄，窄，光光纯。纯。 自然加宽

8、g( )（略）： 2201( )(1 620)2()()2NNg结论：自发辐射dn21/dt同没考虑谱线加宽。 )()(88213332133321gAhcAhcB321212133( )( )( )(1 622)8cBB gAh ）（自发辐射2161)()(|21221221221AndgAndAndtdn)1251 (83332121chBAA21和B21关系 自发辐射： 辐射： ）（251221212nAdtdndtdn)()(2121gAA1-1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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状

9、谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、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射(1-5-12)， (1-6-22)B21( )与与B21关系， 受激跃迁几率： 2121( )( ) ( )(1 623)WB gw )2461 ()()()(21221221dwgBndWndtdn受激跃迁321212133( )( )( )(1 622)8cBB gAh 受激辐射系数 1. 辐射场线宽小（准单色） 2. 原子与连

10、续谱光辐射场作用 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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、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: 21221( ) (1 625)dnn B gwdt2121( ) (1 627)WB g

11、w 1212( ) (1 628)WB gw12112( ) (1 626)dnn B gwdt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）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 辐射场辐射场原子发光能级原子发光能级 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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非

12、均匀加宽 1-8辐射的经典理论 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三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响 物理意义: 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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状谱线形状和宽度和宽度 1-7均匀加宽和非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 辐射场辐射场原子发光能级原子发光能级 1. 辐射场本身线宽极小（准单色光）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

13、对原子与辐射场相互作用的影响三、谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响 u 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， p = 0跃迁几率最大， p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，另加宽，气体工作物质考虑非均匀加宽（多普勒） u 定义：粒子发光对谱线内确定对谱线内确定 贡献贡献； 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

14、原因： ) 371 (/1/10cvcvzz)471 ( )/1 ()/1 (21200cvcvzz1-1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, 受激吸收和受激辐射 1-6谱线形状和宽度 1-7均匀加宽和均匀加宽和非均匀加宽非均匀加宽 1-8辐射的经典理论 一、均匀加宽二、非均匀加宽二、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(h 0=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 光学多普勒效应 vz /c 0；单色光单色光 原子原子 反向，vz n. t =0，体系n 态，受 在 mn 附近辐射微扰影响。光辐射E( )，x 分量Ex( )随t 变： 0m0n辐射分布各向同性：跃迁到m 态几率看作微绕。 Em En )1081 ()(34)()()(342222222222mnsmnmnmnsmnrezyxe