光电子学 (第一章1)

光电子学基础第一章光与物质相互作用基础第一讲

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SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience善教者，使人继其事请关掉手机王玲lwang@

QQ：512897575办公室：知新楼203课程网址：/G2S/Template/View.aspx?action=view&courseType=0&courseId=731一、讲授内容（1）

二、前言

第一章光与物质相互作用基础§1-6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

§1-3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§2-3介子中的增益饱和与烧孔效应§2-2光在介质中的小信号增益§2-1粒子数的反转分布第二章介质中的光增益一、讲授内容（2）二、前言

第三章激光振荡与工作特性一、讲授内容（3）二、前言

§3-5激光的横模及高斯光束§3-4激光的纵模与频率特性

§3-3激光产生的阈值条件

§3-2光学谐振腔

§3-1激光的特性§3-6连续激光器的输出功率与最佳透过率

§4-7光纤损耗与色散§4-6光纤中电磁波模式理论§4-4矩形介质波导基本概念§4-3平板波导的电磁理论§4-2介质平板光波导的射线分析方法§4-1光在介质分界面上的反射与折射§4-8光波导装置与应用§4-5光纤中的射线分析（上、下）第四章光辐射在介质波导中的传播一、讲授内容（4）二、前言

§5-4光辐射的探测方法

§5-3光辐射探测过程中的噪声

§5-2光探测的基本物理效应

§5-1物质中的光吸收第五章光辐射的探测一、讲授内容（5）二、前言

§6-4倍频和混频§6-3位相匹配§6-5光参量放大与振荡§6-6受激散射§6-1非线性光学的物理基础§6-2非线性介质中的电磁波传播方程第五章非线性光学一、讲授内容（6）二、前言

光与物质相互作用基础1§1-6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

§1-3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第一讲要点回顾麦克斯韦方程；麦氏方程导出波动方程;

解波动方程;

电磁波性质;

介绍课程内容物质微观结构与能量关系1

32《光电子学教程》

张季熊编著华南理工大学出版社

2005年1月第1版第3次印刷《光电子学原理应用》

王雨三、张中华、林殿阳编著哈尔滨工业大学出版社,2005年5月第2版

2005年5月第3次印刷教材

参考书

一、讲授内容二、前言§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论教材及参考书光电子技术基础:各种技术基本规律光电子学与光电子技术

傅立叶光学

激光与红外物理学非线性光学强光光学效应电光效应磁光效应弹（声）光效应半导体光电子学光电转换效应发光效应非线性光学效应导波光学非线性光学效应介质导波效应光电子学混频移频锁模调激光Q

光载波源复用传感调制偏转开关光信号加载反馈中继偏振隔离耦合波导光信号传输存储全息滤波共轭频谱卷积相关逻辑延迟放大补偿整形解调光信号处理探测显示光信号接收§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、讲授内容二、前言?光源传输调制探测成像显示光电子技术§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、讲授内容二、前言按信息传递的各个环节划分§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、讲授内容二、前言新型光学和光电子器件光学与电子学结合—光电子学—研究光与物质相互作用新兴学科，电子技术在光频波段延续与发展。

§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、讲授内容二、前言研究光（相干光）产生，传输，控制和探测技术。

定义课程做到：1基础知识传授：物理概念及理论方法；2理论与实践结合：光电子学在有关领域应用。

§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、讲授内容二、前言

出发点：

一完整信息系统包括光载波源，光信号传播，光信号调制，光信号探测与解调。太赫兹科学（THz）THzGap频率：0.1–10THz（3–0.03mm）

宏观电子学向微观光子学过渡频段所有大分子的转动和振动频率电子，信息，生命，国防，航天应用前景§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、讲授内容二、前言狗红外线照片

红外线（Infrared）：介微波与可见光间EM波，760nm-1mm，比红光长非可见。覆盖物体发热辐射波段。穿透云雾能力比可见光强—红外光，通讯，探测，医疗，军事用。

§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、讲授内容二、前言课程介绍：1234辐射概念，光产生、传输、探测为线索，阐述：激光产生原理与特性、

光在介质中传输特性及光探测原理与方法、非线性光学；

§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、讲授内容二、前言注重例:太阳能电池内容

介绍光电子学；物理概念，理论联系实际，涉光电子学领域。工作原理，效应：1.光热2.光电3.光化

使学生了解光电子学研究对象范围及应用§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论电磁波理论半导体物理固体物理

激光物理先修课程物理光学§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、讲授内容二、前言3.激光特性4.激光应用231激光基础：

爱因斯坦受激辐射理论第一台激光器发明：

1960梅曼红宝石激光器

激光特性：

单色性好方向性好亮度高高量子简并度§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、讲授内容

二、前言1.激光理论基础2.第一台激光器发明激光器受激发射放大相干光辐射（激光）。19600707，纽约时报，梅曼世界第一台红宝石激光器，闪光灯光线照进手指大红宝石晶体，相干脉冲激光束。顶尖实验室争第一发明激光器，其雇主洛杉矶休斯飞机公司胜。1激光“镭射”，“莱塞”，LASER，LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，“受激辐射光放大”。1964钱学森“光受激发射”—“激光”。2希尔·多梅曼

19600517，TedMaiman（梅曼）发明第一台激光器固体激光器§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论3.激光特性4.激光应用一、讲授内容二、前言1.激光理论基础2.第一台激光器发明

1234工业加工军事医学存储信息光通讯15核聚变§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论3.激光特性4.激光应用一、讲授内容

二、前言1.激光理论基础2.第一台激光器发明§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论3.激光特性4.激光应用一、讲授内容二、前言1.激光理论基础2.第一台激光器发明激光束聚焦材料表面熔化，光束与材料沿定轨迹相对运动，形成一定形状切缝；

金刚石锯片激光焊接成套设备和焊成金刚石锯片§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工业加工②军事上应用③医学上应用3.激光特性4.激光应用一、讲授内容二、前言1.激光理论基础2.第一台激光器发明改善和火焰切割切口质量，推广氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。武器§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工业加工②军事上应用③医学上应用3.激光特性4.激光应用一、讲授内容二、前言1.激光理论基础2.第一台激光器发明雷达测速测距通信敌我识别制导穿耳

打孔（治结石）生命科学诊断治疗

龋齿诊断脱矿，浅龋隐匿龋治疗切割充填物聚合，窝洞处理§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工业加工②军事上应用③医学上应用3.激光特性4.激光应用一、讲授内容二、前言1.激光理论基础2.第一台激光器发明其出现，强武器，物质世界深入探索，发现新现象，认识新规律

无法以宏观理论为基础

微粒或波动说完善，波粒二象性描述微观世界物质波动特征；光波粒二象性，波动微粒性，光与物质互作用现象及规律深认识

光认识经历

微粒说

纳米电子学波粒二象性波动说对光属性§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论J-I密度-电荷密度总结变化E产生H，变化H产生E，描述EM场规律。麦克斯韦方程：目的：麦克斯韦方程导出波动方程！

旋度散度詹姆斯·克拉克·麦克斯韦一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质麦克斯韦创立EM波理论，光短EM波，适光波。

1电场量

2磁场量电场强度E

电位移矢量D

磁感应强度B

磁场强度H

关系:

§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论积分形式

一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论10.圆周长公式c=2r9.傅立叶变换8.德布罗意方程组p=hk,E=h7.1+1=26.薛定谔方程5.质能方程E0=mc24.勾股定理/毕达哥拉斯定理a2+b2=c23.牛顿第二定律F=ma2.欧拉公式ei+1=01.麦克斯韦方程组世界上最伟大十个公式：一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论高斯定理：斯托克斯定律：

高斯定理，斯托克斯定律散度旋度用到解麦克斯韦方程组得波动方程中一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论J-I密度散度-电荷密度旋度微分形式

一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论（Ⅳ）随时间变化电场激发涡旋磁场（Ⅰ）电位移矢量或电感应强度D散度=电荷密度0，电场有源场

（Ⅲ）

磁感强度B散度0，磁场无源场

麦克斯韦方程组物理意义（Ⅱ）随时间变化磁场激发涡旋电场一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论不符合右手法则（负）tB¶¶符合右手法则（正）tD¶¶电场与磁场激发一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论电磁波传播电场波源磁场磁场磁场磁场磁场电场电场电场确定E和H，了解D与E,B与H关系。

静止线性，各向同性介质：

§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、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

麦氏方程组麦氏方程组导出E或H变化规律。

求E微分方程。（1-1-2）E旋度两边取旋度：

(1-1-6)及(1-1-1)带入(1-1-8)：各向异性，D(1-1-5)带入(1-1-9)。D：

P电极化强度，P与E关系：

电极化率。(1-1-10)代入(1-1-9)：

§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、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

由解E波动方程（E满足微分方程）。

假设：2341

2EM波传播（不在源区），J=0,=0均匀介质极化，束缚体电荷密度(1-1-12)写成：0=0=目的：麦氏方程导出波动方程！§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、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

导出

--E波动方程

解E波动方程：写为：由(1-1-15)：v电磁波介质中传播速度§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、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质或(1-1-14)：

(1-1-13)：含P微商源项，介质极化影响

麦氏方程二个E，二个M量。

类似，H波动方程：

--E波动方程§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、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质界面两侧电场法向分量跃变电场切向分量连续磁场切向分量跃变磁场法向分量连续§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、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质波动方程与边界条件结合，定EM场分布。边界条件：

s,Js电荷面密度和面I密度n法线向t切线向

s,Js为0

Dn,Ht界面连续

§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论麦克斯韦方程：波动方程：一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质问题：为什么光波是电磁波？1)麦氏方程推导，电磁波在真空速度

实测真空光速2)麦氏方程：电磁波在介质中速度（非铁磁质=1）

折射率§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,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、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

§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、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

如光波是电磁波，比较上两式：测无极分子物质:计算与测量折射率很好符合；

测有极分子物质：

用光波频值，成立。

平时低频电场测量。

故麦克斯韦判定，光波电磁波。麦氏关系太赫兹科学（THz）THzGap所有大分子的转动和振动频率E和H振动向光传播向k平面内E,H互E,H,k右手螺旋关系

①光是横波②能量密度与能流密度概念§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论③时谐变电磁场概念④电场矢量与磁场矢量关系⑤平面波极化⑥光在介质中传播时传播常数⑦光在自由空间中传播是行波一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质电磁波横波，E,H和K（K传播向单位矢量）两两

E和H幅度成比例，复角等S与w关系：§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光是横波②能量密度与能流密度概念③时谐变电磁场概念④电场矢量与磁场矢量关系⑤平面波极化⑥光在介质中传播时传播常数⑦光在自由空间中传播是行波一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

能量密度(w)：电磁场内单位体积，电场能量密度(we)与磁场能量密度(wm)和:能流密度(S)：单位t通过光传播方向单位面积能量—坡印廷矢量v光（电磁波）在介质传播速度

沿z传播光波,电场变化：

--光，沿z传播单位距离引相位变，0--初位相§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光是横波②能量密度与能流密度概念③时谐变电磁场概念④电场矢量与磁场矢量关系⑤平面波极化⑥光在介质中传播时传播常数⑦光在自由空间中传播是行波一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

时谐变电磁场，复数方便：

解E波动方程:§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光是横波②能量密度与能流密度概念③时谐变电磁场概念④电场矢量与磁场矢量关系⑤平面波极化⑥光在介质中传播时传播常数⑦光在自由空间中传播是行波一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

Re--实部,括号定义复振幅,(1-1-26):复数，波动方程(1-1-14)：

—亥姆霍兹方程，解谐场分布方程。光真空传播,§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光是横波②能量密度与能流密度概念③时谐变电磁场概念④电场矢量与磁场矢量关系⑤平面波极化⑥光在介质中传播时传播常数⑦光在自由空间中传播是行波一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

每对E与H复振幅比—波阻抗：传播向平面，E与H。电场y分量，磁场x分量，

Ey与Hx一组分量波，Ex与Hy另一组。

E,H,k满足右手螺旋定则,+

无损耗介质,实数，空间任点电与磁场同相位，电与磁场量瞬时值比=波阻抗。理想介质,=0,光传播随空间坐标(z)变化律,介电常数实数;

§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光是横波②能量密度与能流密度概念③时谐变电磁场概念④电场矢量与磁场矢量关系⑤平面波极化⑥光在介质中传播时传播常数

⑦光在自由空间中传播是行波一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

--损耗系数，--相位常数

非理想介质,,介质常数复数,,由(1-1-30),,光在介质传播衰减,光随z变化律:为光,沿z传播单位距离相位变,.光传播，场量（电例）在一方向振动，线性极化波。特点：x,y场量相位差0或

两分量相位差不满足0或，振动矢量方向随光传播变，椭圆偏振光（圆），极化研究光传播特性部分透过，§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光是横波②能量密度与能流密度概念③时谐变电磁场概念④电场矢量与磁场矢量关系⑤平面波极化⑥光在介质中传播时传播常数⑦光在自由空间中传播是行波一、光的波动学说二、光子学说1.麦克斯韦方程与波动方程2.电磁波的有关性质

传播遇介质：部分反回。满足一定边界条件，入射与反射波合成驻波，稳定光强分布。

1234光波动学说：解释光干涉,衍射成功；辐射困难。核心：以光速c传播物质单元—光子组成。光有波动，也有粒子性—光子学说。新学科：纳米光子学

§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、光的波动学说二、光子学说②光子有动量P,3.光子的简并度光子的相干性4.光子的相干性§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、光的波动学说二、光子学说1.光子的基本属性2.光波模式，光子态和相格①光子有能量,

光子行进方向单位矢量,③光子有质量m,静态④光子两独立偏振态，自旋。

动态质量与能量关系微观粒子:测不准关系限制,位置与动量不同时确定：≥--同时确定，≤--不精确确定

三维坐标：范围，光子态不精确确定h3相体积(相格)—光子分辨最小尺度,光子态对应不是点，相格（六维空间体积），坐标空间体积：一光子占相体积h3,空间V光子态数:光子两偏振态：—单位体积,光子集合范围状态数—态密度。态密度：§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3.光子的简并度光子的相干性4.光子的相干性一、光的波动学说二、光子学说1.光子的基本属性2.光波模式，光子态和相格空间V,动量处p~p+dp光子集合对应相体积:以(n折射率)及代上式,光子范围光子态数（态密度）：

有限空间，光子数按动量或分布？光束dt内占体积(dsc/n)dt(ds光束截面积),立体角内,dt通过ds面积在范围光子：

相格：光子有两偏振态态密度：§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3.光子的简并度光子的相干性4.光子的相干性一、光的波动学说二、光子学说1.光子的基本属性2.光波模式，光子态和相格

光子在一定立体角范围行进，态密度乘.一相格代表光子量子态，不同电子，多光子处同量子态—简并，同量子态平均光子数光源光子简并度。

例:可见光,,T=300K,,常T光频光子简并度低,特殊法光频段获高简并度,新光源—光受激辐射(激光).

§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论3.光子的简并度光子的相干性4.光子的相干性一、光的波动学说二、光子学说1.光子的基本属性2.光波模式，光子态和相格辐射体（黑体）处一状态平均光子数：光子服从波色—爱因斯坦分布律，允许两个以上光子处同量子态，或同相格。341新光源单色亮度高,23大量光子处同量子态,确定运动方向,和偏振—相干光,

比普通光多优越性.§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论3.光子的简并度光子的相干性4.光子的相干性一、光的波动学说二、光子学说1.光子的基本属性2.光波模式，光子态和相格一、讲授内容(1)二、前言

第一章光与物质相互作用基础§1-6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

§1-3热辐射的一般概念§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§1-2物质的微观结构与能量状态1.主量子数n2.副量子数l

描述一电子微观态多量子数表示:1234主量子数n

副量子数

l

自旋量子数s

内量子数j

5轨道及自旋动量矩在磁场向投影量子化,磁量子数ml,ms及总动量矩磁量子数mj

一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论3.自旋量子数s4.内量子数j四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律

电子填充规律:能量最低原理泡利不相容原理系统,不能两或两个以上电子处同量子态;

电子填充能级低,低态填满,再填高态.两规律符合,壳层填充电子数不完全按上壳层微观状态数进行.

如:n=1-4,填满壳层电子数分别：2,8,8,18，电子绕核旋转轨道不同，某些高壳层低电子能级比低壳层高电子能级更低—能级交错。

§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、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律泡利不相容原理、能量最低原理；支壳层能量由低到高：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p…

电子填充支壳层先后顺序，确定原子电子基本组态；

Si（Z=14）基态电子组态1s22s22p63s23p2简3s23p2，

能级被电子填满壳层省去；一3p电子激发到4s态，

Si原子电子态；3s23p4s；

123磁性出现在有内不满壳层电子态元素，如：

铁族3d，稀土4f

4§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、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律分子总能:r0附近振动能级：

振动状态改变选择定则:同一电子运动能量范围内转动能量改变选择定则：

振动位移大，互作用力不是准弹性力

J转动惯量

分子只转动能量量子化:§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、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律We—电子运动能

W—转动能W—振动能固体能带如何形成？构成？

能带结构形成：

1231固体多原子组成，含原子核及多电子，电子运动态多体问题，无法严格解。

2多体简化多电子，电子原子核势场及其他电子平均场运动，多电子简化单电子运动态。§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、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律原子间靠近，相互作用强。

运动致能级分裂，原孤立原子存在，能级离散，聚合，共有化电子占据同能级，不符合泡里不相容原理，互作用，一能级分成多接近能级，能带。光学现象：电荷能带间跃迁造成。①外层电子共有化②能带的形成

大量原子排成晶体，电子受本身原子核作用，受邻近原子核影响，内层电子受原子核束缚影响小；

价电子或外层电子不同，外层电子受邻近原子作用强，易脱离原原子进入其他原子。电子不属各原子，属整个原子，称电子共有化。

1.能带的形成2.电子填空能带的情况3金属、半导体、绝缘体的能带结构§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、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律1s2p2sEo原子间距

禁带

禁带

能带

N同自由原子，原子内电子同分立能级，N重简并，N原子渐靠近，原束缚在单原子中电子，不在一能级存在（违反泡利不相容），分裂N靠近能级（10-22ev），能差小，能量连续区—能带。

§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外层电子共有化②能带的形成

1.能带的形成2.电子填空能带的情况3.金属、半导体、绝缘体的能带结构一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律(1)满带：满带电子从原态转移另态，另电子必反转移。无额外定向运动。

§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.能带的形成2.电子填空能带的情况3.金属、半导体、绝缘体的能带结构一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律各能级被两自旋反电子填满满带电子不形成I！(2)导带:能级没被电子填满(3)空带:各能级没被电子填充(4)价带:价电子处带导带

电子外场作用跃迁高能级形成I—导带

§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.能带的形成2.电子填空能带的情况3.金属、半导体、绝缘体的能带结构一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律禁带在电子波矢：

量子力学，电子与周期势垒作用，有些能量值不允许电子有，电子能量图出现容许与禁带交替排列：

§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.能带的形成2.电子填空能带的情况3.金属、半导体、绝缘体的能带结构一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律半导体,两容许电子能量存在导带及价带，两者间禁带。(1)导体：价带（价电子处带）导带或等效导带空带导带满带满带满带空带重叠相连

§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.能带的形成2.电子填空能带的情况3.金属、半导体、绝缘体的能带结构一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律空带与满带重叠空带与满带相连

满带空带禁带

(2)绝缘体：只满带和空带，禁带宽度大金刚石两C原子距15nm,Eg=5.33eV

§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.能带的形成2.电子填空能带的情况3.金属、半导体、绝缘体的能带结构一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律(3)半导体：价带满，禁带宽度小导体，半导体，绝缘体不同，能带不同满带

空带禁带如;SiEg=1.14eV

GeEg=0.67eVGaAsEg=1.43eV金属导电与半导体导电差：§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.能带的形成2.电子填空能带的情况3.金属、半导体、绝缘体的能带结构一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律金属载流子自由电子；半导体载流子导带电子和价带空穴。1.麦克斯韦速率分布律

2.波耳兹曼分布律微观粒子运动态遵统计分布律；

气体分子速度大小，某种能量粒子多少概率法。

麦克斯韦速率分布律。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论3.费米分布律4.玻色分布律四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律分子比率：

热平衡，分布v~v+dv分子比率（微观粒子速率分布律）

v分布函数,

m分子质量分子空间位置分布势能定：速率分布律：确定区间v~v+dv沿可能方向运动分子比率，

分子vx~vx+dvx,vy~vy+dvy,vz~vz+dvz分子比率，麦克斯韦速率分布律：gi能级E简并度，能量微观态（量子）数。

测不准关系,,,，粒子动量及坐标六维空间，体积元h3粒子一微观态，括号内粒子能量~+d微观态数。

微观粒子按能量连续分布律，路德维希·玻尔兹曼§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.麦克斯韦速率分布律2.波耳兹曼分布律一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态3.费米分布律4.玻色分布律四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律测不准关系，热平衡，

能量粒子数dN与exp(-/kT)和能量态数(dpxdpydpzdxdydz/h3)乘积正比：

f(E)--费米分布函数；恩利克·费米§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.麦克斯韦速率分布律2.波耳兹曼分布律3.费米分布律

4.玻色分布律四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律服从泡里不相容原理粒子（电子质子中子），能量几率：

EF处禁带，导带能级E与EF差远>kT，费密分布律转化玻耳兹曼分布律，电子有能量E几率与EF,，T有关。

一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态不满足泡里不相容原理粒子（光子，介子）按能量分布律玻色分布：萨特延德拉·纳特·玻色

能量几率：§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,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.麦克斯韦速率分布律2.波耳兹曼分布律3.费米分布律4.玻色分布律四、固体的能带五、微观粒子的统计分布规律一、原子的微观结构二、能量状态的表示方法三、分子结构及能量状态几种分布比较§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谱线形状和宽度§1-7均匀加宽和非均匀加宽§1-8辐射的经典理论波耳兹曼分布律玻色分布律

不满足泡里不相容原理粒子按能量分布规律费米分布速率分布函数分子比率

粒子数麦克斯韦速率分布律

1.麦克斯韦速率分布律2.波耳兹曼分布律3.费米分布律4.玻色分布律

四、固体的能带五、微观粒子的