光電子學(xué)(第一章3)

1、 光電子學(xué) 第一章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ) 第三講 湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，王玲玲2016 年 03 月物理與微電子科學(xué)學(xué)院物理與微電子科學(xué)學(xué)院School of Physics and MicroelectronicsScience描述輻射場的幾個物理量為什么要考慮輻射頻譜？描述輻射場的幾個物理量為什么要考慮輻射頻譜？ 談?wù)勀銓τ蔁崃W(xué)理論得到的實驗定律意義的認(rèn)識；談?wù)勀銓τ蔁崃W(xué)理論得到的實驗定律意義的認(rèn)識； 談?wù)勛园l(fā)輻射、受激吸收和受激輻射之間的聯(lián)系和區(qū)別；談?wù)勛园l(fā)輻射、受激吸收和受激輻射之間的聯(lián)系和區(qū)別； 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ) 11-5 自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射 1-4 黑體輻

2、射 1-3 熱輻射的一般概念 1-2 物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-7 均勻加寬和非均勻加寬 1-8 輻射的經(jīng)典理論 1-1 光的波動理論與光子學(xué)說1-6 譜線形狀和寬度譜線形狀和寬度 均勻加寬非均勻加寬 譜線加寬原因？ 輻射理論（經(jīng)典、半經(jīng)典） 1 3 2 一、譜線加寬與線型函數(shù)一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) u Na光燈發(fā)黃光射光譜儀，達底板，若干細線光譜，每條譜線，與光源 ( )對應(yīng)； u 光譜線，有寬度，粒子能級間躍遷輻射不單一 電磁波。 注意： 經(jīng)典與量子解釋！ 為什么有寬度? p 原（分）子阻尼振動，粒子發(fā)光，一段t 發(fā)射有限波列； p 波形頻譜，若干簡諧波疊，

3、躍遷發(fā)EM波分布中心 附近小 范圍單色波組合，譜線寬度。 1. 經(jīng)典的觀點經(jīng)典的觀點2. 量子力學(xué)的觀點1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 測不準(zhǔn)關(guān)系，某刻粒子能級不定， ，能級不單一。 htE粒子自發(fā)輻射發(fā)光增寬粒子自發(fā)輻射發(fā)光增寬不可避免不可避免自然加寬，自然加寬，譜線寬譜線寬 vN 問題: 自然加寬自然加寬? 意義意義? 粒子表示 E1E2E2E1E1(a) E2E

4、1 (b) (c)能級表示能級表示 E1 E2E2 E1 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、譜線加寬與線型函數(shù)一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) 1. 經(jīng)典的觀點2. 量子力學(xué)的觀點量子力學(xué)的觀點三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 譜線強度縱， 橫標(biāo)，光強分布，線型函數(shù)g(v)。總輻射功率I0光譜，vv+dv輻射功率與總功率比隨 分布： 線型函數(shù)g： 0)()(IIg）（1611)(d

5、gdgIdI)()(0g(v)從最大從最大(vo) 一半一半, 對應(yīng)對應(yīng) 范圍。范圍。 2/ )()2/(00gg區(qū)分能級簡并度區(qū)分能級簡并度g! 為什么g(v)躍遷幾率按 分布函數(shù)? 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、譜線加寬與線型函數(shù)一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) 1. 經(jīng)典的觀點2. 量子力學(xué)的觀點量子力學(xué)的觀點三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 g(v)歸一化： g( )躍

6、遷幾率按 分布函數(shù)。 譜線寬度定義： 粒子高E2自發(fā)輻射到基態(tài)E1，E2粒子。初E2粒子n20，t 后： )()(2tEtI衰減因子=自發(fā)躍遷幾率 211 65A（）tAentn21202)(tAenhAhtnAtI21200210221)()(212210200( )1 64A ttI tA hn eE e（）比較 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo)二、自然加

7、寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) 三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 自發(fā)輻射光強 ： 光EM理論： 衰減因子，0220( )(1 63tjtE tE ee ）自然加寬譜線寬度： 21(1 6 19)2N 見教材！ 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) 三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 小，小，譜線寬譜線寬窄，窄，光光純。純。 自然加寬

8、g( )（略）： 2201( )(1 620)2()()2NNg結(jié)論：自發(fā)輻射dn21/dt同沒考慮譜線加寬。 )()(88213332133321gAhcAhcB321212133( )( )( )(1 622)8cBB gAh ）（自發(fā)輻射2161)()(|21221221221AndgAndAndtdn)1251 (83332121chBAA21和B21關(guān)系 自發(fā)輻射： 輻射： ）（251221212nAdtdndtdn)()(2121gAA1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀

9、譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) 三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 譜線加寬，高能級粒子隨t變： 或： 外場影響受激吸收和輻射(1-5-12)， (1-6-22)B21( )與與B21關(guān)系， 受激躍遷幾率： 2121( )( ) ( )(1 623)WB gw )2461 ()()()(21221221dwgBndWndtdn受激躍遷321212133( )( )( )(1 622)8cBB gAh 受激輻射系數(shù) 1. 輻射場線寬?。?zhǔn)單色） 2. 原子與連

10、續(xù)譜光輻射場作用 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) 三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 線寬，受激躍遷引高能粒子變化： 譜線加寬dn21/dt不再=n2B21w( )， 兩情況： 為 單色輻射場w( )作用， 受激躍遷幾率: 21221( ) (1 625)dnn B gwdt2121( ) (1 627)WB g

11、w 1212( ) (1 628)WB gw12112( ) (1 626)dnn B gwdt輻射場中心 ，寬 （原子能級寬），被積函數(shù)小范圍非零值 受激躍遷高能粒子變化， dn21/dt 不簡單=n2B21w( )， 線型函數(shù)常數(shù)，w =w(v)。 受激輻射 受激吸收 1. 輻射場本身線寬極?。?zhǔn)單色光）輻射場本身線寬極?。?zhǔn)單色光） 2. 原子與連續(xù)譜光輻射場作用 輻射場輻射場原子發(fā)光能級原子發(fā)光能級 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非

12、均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) 三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 物理意義: 1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀譜線形狀和寬度和寬度 1-7均勻加寬和非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 輻射場輻射場原子發(fā)光能級原子發(fā)光能級 1. 輻射場本身線寬極?。?zhǔn)單色光）輻射場本身線寬極小（準(zhǔn)單色光） 2. 原子與連續(xù)譜光輻射場作用 一、譜線加寬與線型函數(shù)二、自然加寬的線型函數(shù)的推導(dǎo) 三、譜線加寬

13、對原子與輻射場相互作用的影響三、譜線加寬對原子與輻射場相互作用的影響 u 譜線加寬，與原子互作用光 不精確=發(fā)光中心 0產(chǎn)生受激躍遷， 偏離 0不大范圍，都受激躍遷， p = 0躍遷幾率最大， p偏離 0幾率劇 。 w( 0)連續(xù)譜輻射場中心 0單色能量密度 與1相反，發(fā)光 遠自然加寬；氣體：低氣壓，自然加寬顯示； 為什么不可能發(fā)絕對單色光？自然加寬譜線寬度最低值，不存在線寬0，不可能發(fā)絕對單色光； 均勻加寬譜線加寬，另加寬，另加寬，氣體工作物質(zhì)考慮非均勻加寬（多普勒） u 定義：粒子發(fā)光對譜線內(nèi)確定對譜線內(nèi)確定 貢獻貢獻； 不同粒子對譜線加寬g( )不同 各貢獻 非均勻氣體工作物質(zhì)多普勒加寬

14、原因： ) 371 (/1/10cvcvzz)471 ( )/1 ()/1 (21200cvcvzz1-1光波動理論與光子學(xué)說 1-2物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài) 1-3熱輻射一般概念 1-4黑體輻射 1-5自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射 1-6譜線形狀和寬度 1-7均勻加寬和均勻加寬和非均勻加寬非均勻加寬 1-8輻射的經(jīng)典理論 一、均勻加寬二、非均勻加寬二、非均勻加寬熱運動發(fā)光原（分）子發(fā)出輻射多普勒頻移引起。多普勒效應(yīng) 發(fā)光原子（光源）中心 0(h 0=E2-E1)，原子相對接收器靜止，接收器測 0，原子相對接收器vz運動，接收器測光波 光學(xué)多普勒效應(yīng) vz /c 0；單色光單色光 原子原子 反向，vz n. t =0，體系n 態(tài)，受 在 mn 附近輻射微擾影響。光輻射E( )，x 分量Ex( )隨t 變： 0m0n輻射分布各向同性：躍遷到m 態(tài)幾率看作微繞。 Em En )1081 ()(34)()()(342222222222mnsmnmnmnsmnrezyxe