长沙理工大学：《光电子学》课程教学资源（课件讲稿）第一章 光与物质相互作用基础

第一章 光与物质相互作用基出 1.1光的波动理论与光子学说 1.2热辐射的一般概念 1.3黑体辐射 1.4自发辐射、受激辐射和受激吸收 1.5谱线形状与宽度 1.6均匀加宽与非均匀加宽 1

1 第一章 光与物质相互作用基础 光与物质相互作用基础 1.1 光的波动理论与光子学说 1.2 热辐射的一般概念 1.3 黑体辐射 1.4 自发辐射、受激辐射和受激吸收 1.5 谱线形状与宽度 1.6 均匀加宽与非均匀加宽

1.1光的波动理论与光子学说 光的波动学说 1.麦克斯韦方程组与波动方程 电磁波的形成： 空间某区域有变化电场（或变化磁场)，在邻近区域将产生变化 的磁场（或变化电场)，这种变化的电场和变化的磁场不断交替产生， 由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。 (光波是电磁波) 2

2 1.1 光的波动理论与光子学说 一 光的波动学说 电磁波的形成： (光波是电磁波) 空间某区域有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化 的磁场（或变化电场），这种变化的电场和变化的磁场不断交替产生， 由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。 1.麦克斯韦方程组与波动方程

一光的波动学说 1.麦克斯韦方程组与波动方程 若电磁场传播区域远离 辐射源、不存在自由电荷 麦克斯韦方程组 静止、线性和各向 和传导电流： 的微分形式： 同性介质中的物质方程： V●D=0 V●B=0 V●D=p VxE=_ aB 7●B=0 D=8E t VxE=_ aB aD B=uH VXH= 8t 8t V×H=J+ aD J=OE Ot V2E1 62E =0 交变电场、 交变磁场以 =0 速度V传播 v2 0t2

3 麦克斯韦方程组 的微分形式： 静止、线性和各向 同性介质中的物质方程： ⎪⎪⎪⎭ ⎪⎪⎪⎬⎫ ∂ ∂ +=×∇ ∂ ∂ −=×∇ =•∇ =•∇ t D JH t B E B D 0 ρ ⎪⎭ ⎪⎬⎫ = = = EJ HB ED σ μ ε 若电磁场传播区域远离 辐射源、不存在自由电荷 和传导电流： ⎪⎪⎪⎭ ⎪⎪⎪⎬⎫ ∂ ∂ =×∇ ∂ ∂ −=×∇ =•∇ =•∇ t D H t B E B D 0 0 ⎪⎪⎭ ⎪⎪⎬⎫ = ∂ ∂ −∇ = ∂ ∂ −∇ 0 1 0 1 2 2 2 2 2 2 2 2 t H v H t E v E 一 光的波动学说 1.麦克斯韦方程组与波动方程 交变电场、 交变磁场以 速度v 传播

光的波动学说 2.电磁波的性质 >电磁波是横波 >偏振特性 >在介质中不同频率电磁波具有不同传播速度（色散现象） >光在自由空间中以行波状态传播 >电场和磁场同相位，并满足：√8E=√H >能量密度：S=E×i >时谐变电磁场 E(,t)=E,cos(@t-Bz+o) E(z,t)=ReE-ReEe

4 ¾ 电磁波是横波 ¾ 偏振特性 ¾ 在介质中不同频率电磁波具有不同传播速度（色散现象） ¾ 光在自由空间中以行波状态传播 ¾ 电场和磁场同相位，并满足： ¾ 能量密度： ¾ 时谐变电磁场 2.电磁波的性质 一 光的波动学说 = με HE HES v v v ×= cos(),( ) = ω − β +ϕ 0 m ztEtzE [ ] [ ] zj tj m ztj meEtzE eeE ( ϕβω 0 ) ϕβ 0 )( ω Re),( Re +− −− = =

光的波动学说 2.电磁波的性质 电磁波段的详细划分及用途 波段/mm 名称 用途 10-530 Y射线 金属探伤、研究核结构 104100 X射线 医用、探伤、分析晶体结构 1-390 紫外线 医用、照相制版 390-770 可见光 770-106 红外线 雷达、光纤通信、导航 106109 微波 电视、雷达、无线电导航 1091010 米波 调频广播、电视、导航 10105×1010 短波 无线电广播、电报通信 5×10102X104 中短波 电报通信 2×1043X102 中波 无线电广播 3×1023×1013 长波 越洋长距离通信和导航 5

5 电磁波段的详细划分及用途 波段/nm 名称 用途 10-5~30 射线 金属探伤、研究核结构 10-4~100 X射线 医用、探伤、分析晶体结构 1~390 紫外线 医用、照相制版 390~770 390~770 可见光 770~106 红外线 雷达、光纤通信、导航 106~109 微波 电视、雷达、无线电导航 109~1010 米波 调频广播、电视、导航 1 010~5 ×1010 短波 无线电广播、电报通信 5 ×1010~2 ×1011 中短波 电报通信 2 ×1011~3 ×1012 中波 无线电广播 3 ×1012 ~3 ×1013 长波 越洋长距离通信和导航 γ 2.电磁波的性质 一 光的波动学说

二光子学说 1.光子的基本性质 E (1)E=hv (2） m= (3)P=hk (4)光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个 独立偏振方向。 (5)光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。 6

6 1.光子的基本性质 二 光子学说 (1) = hvE (2) 2 c E m = (3) = hkP （4）光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个 独立偏振方向。 （5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数

二光子学说 2.光子的状态描述 AxAA△p,△p,△p.≤h3范围内，光子的状态不能完全确定 h3:相体积或相格 h3 对应坐标空间体积： △x△y△z= Ap:AP,AP: 空间体积V内的光子的状态数： G(p)dp= Anp'dpV 注：一个相格代表一种量子态，多个光子可处于同一量子态，该 现象称为简并。处于同一量子态的平均光子数称为光子简并度

7 2.光子的状态描述 二 光子学说 3 hpppzyx zyx ≤ΔΔΔΔΔΔ 范围内，光子的状态不能完全确定 ppp zyx h zyx ΔΔΔ =ΔΔΔ 3 对应坐标空间体积： 空间体积V内的光子的状态数 ： 3 2 4 )( hdpVp dppG π = 注：一个相格代表一种量子态，多个光子可处于同一量子态，该 现象称为简并。处于同一量子态的平均光子数称为光子简并度。 3 h ：相体积或相格

1.2 热福射的一般概念 热辐射现象 任何温度高于绝对零度的物体都能产生辐射，该辐射称为热辐 射（或温度辐射)。热辐射是物体以电磁波形式向外发射能量的过程。 辐射度单位体系： 只与辐射客体有关的物理量，只用于整个电磁波段。 基本物理量：辐射通量；基本单位：瓦特(W)或焦/秒(J/s)。 光度学单位体系： 反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，适用于可见光波段。 基本物理量：发光强度；基本单位：坎德拉(cd) 8

8 1.2 热辐射的一般概念 一 热辐射现象 任何温度高于绝对零度的物体都能产生辐射，该辐射称为热辐 射（或温度辐射）。热辐射是物体以电磁波形式向外发射能量的过程。 光度学单位体系： 反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，适用于可见光波段。 基本物理量：发光强度；基本单位：坎德拉(cd) 基本物理量：辐射通量；基本单位：瓦特(W)或焦/秒(J/s)。 辐射度单位体系： 只与辐射客体有关的物理量，只用于整个电磁波段

二描述辐射场的物理量 1.辐射能Qe:以辐射形式发射或传输的电磁波能量。 单位：焦耳（J)。 2.辐射通量Φe:单位时间内流过的辐射能量，又称辐射功率。 单位：瓦特(W)或焦/秒(U/s)。 Φ。 dt 3.辐射照度：照射在面元上的辐射通量与该面元的面积之比。 单位：W/m2 EΦ dA 9

9 1.辐射能Qe ：以辐射形式发射或传输的电磁波能量。 单位：焦耳（J）。 2.辐射通量Φe ：单位时间内流过的辐射能量，又称辐射功率。 单位：瓦特（W）或焦/秒(J/s)。 dt dQe e =Φ 3.辐射照度：照射在面元上的辐射通量与该面元的面积之比。 单位： 2 mW dA d E e e Φ = 二 描述辐射场的物理量

二描述辐射场的物理量 4.辐射强度：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。 单位：瓦特/球面度(W/sr) dΦ d 点源 辐射强度示意图 10

10 4.辐射强度：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。 单位：瓦特/球面度（W/sr） Ω Φ = d d I e e 辐射强度示意图 二 描述辐射场的物理量