光电子学教程

4/4光电子学教程第一章光与物质相互作用基础

11.光的波动理论与光子学说

2.物质的微观结构与能量状态

3.热辐射的一般概念

4.黑体辐射

5自发辐射受激吸收和受激辐射5.自发辐射、受激吸收和受激辐射66.谱线形状与宽度

7.均匀加宽与非均匀加宽

第一节光的波动理论与光子学说

1.光的属性Fightoflight

1Fihflih

2.麦克斯韦方程Wavenatureoflight

2Wavenatureoflight

3.爱因斯坦光量子假说Particlenatureoflight

g4.波粒二象性Particle-WaveDuality

FightAboutLight–I：Pre-NewtonEra（1600-1700）?Snell’slaw-Lawofrefraction

发现光的折射定律

笛卡尔假设光是粒子，在

光密介质中速度更快

提出动量守恒

几何学之父

反对笛卡尔的看法

FightAboutLight–II：Post-NewtonEra（1700-1800）?Snell’slaw-Lawofrefraction

Sll’lLffi

认为光是波动

导出Huygens原理

倾向于光是粒子

运动学三大定律

Post-YoungEra（1800-1900）

双狭缝实验，光的干涉

证明光是波动

?光是电磁波

波动说解释绕射现象

解释光通过大于波长的障碍

菲涅耳物产生阴影

证明光会有横向振动

麦克斯韦推测光是电磁波

赫兹实验证明电磁波的存在，光是电磁

波的一种

Post-EinsteinEra（1900-）

1905年，延伸了Plank的观点，认为：

190年延伸了的观点认为

光的吸收与发射时，能量是量子化的；

光的吸收与发射时能量是量子化的；

Photon，光子的概念

利用量子化概念彻底解释光电效应

?E电场强度?B磁感应强度DH

?D电位移矢量?H磁场强度

0)

D=ε0E+P?P

H=(B/μ0)–M?M

电极化强度磁化强度

边界条件

1212()nns

sDDnDDσσ?=??==rrrrrr或(1-1-17)(1-1-18)1212()00nn

BBnBBEEnEE=??=×?=rrr或(1118)或(1-1-19)12121212()()tt

ttssHHJnHHJ?=×?=rrrr或(1-1-20)snσ：电荷面密度：表示法线方向sJtr：面电流密度：表示切线方向

电磁波的有关性质

(1)光是种横波

(1)光是一种横波

横波：光波的振动方向与波的传播方向垂直

（3）时谐变电磁场

0cosRmtzΕΕωβ??+???+均匀平面波：(z,t)=()

（1-1-25）(t)00()()ee=R[]R[]jtzjzjtmmze

eeωβ?β?ωΕΕΕ??=复数表示法：(z,t)0()

jmmjteβ?ωΕΕ=定义复振幅：(zt)eR[]

meΕΕ=(z,t)采用复振幅表示方法，波动方程可简化为：

2kΕΕ→→?

2r）+r）=0亥（）（）亥姆霍兹方程

2.光子的状态描述

）相体积描述光子状态能被分辨的最小尺度（1）相体积：描述光子状态能被分辨的最小尺度。?测不准原理

???Ρ3xxhh

xyzh??Ρ≥????Ρ≥??????Ρ?Ρ?Ρ>yxyzzyzh?????Ρ≥?1424314243坐标空间体积动量空间体积

346.62610hJS?=×?普朗克常数

1.4波粒二象性Particle-WaveDuality

波粒二象性——光波既有波动性也有粒子性

Particle-WaveDualityofLight：

?光有时以波的形态出现，有时以粒子的形态出现；

?当以波的形态出现时，即不具粒子性；

?当以粒子的形态出现时，即不具备波动性；

ThephotonnatureoflightwillbeimportantwhendiscussingsemiThephotonnatureoflightwillbeimportantwhendiscussingsemi-conductoroptoelectron