第1次 波動理論光子學(xué)說

1、光電子學(xué)教程光電子學(xué)教程編著作者：張季熊編著作者：張季熊光電子學(xué)光電子學(xué):是以光與物質(zhì)相互作用及其應(yīng)用為研究對是以光與物質(zhì)相互作用及其應(yīng)用為研究對象的一門內(nèi)容極其深廣的學(xué)術(shù)分支。象的一門內(nèi)容極其深廣的學(xué)術(shù)分支。光電子技術(shù)光電子技術(shù): :是以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，以光的產(chǎn)生、控是以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，以光的產(chǎn)生、控制、傳輸、光信息處理、轉(zhuǎn)化等有關(guān)的器件與系統(tǒng)制、傳輸、光信息處理、轉(zhuǎn)化等有關(guān)的器件與系統(tǒng)為研究對象的新型綜合性技術(shù)領(lǐng)域。內(nèi)容包括：為研究對象的新型綜合性技術(shù)領(lǐng)域。內(nèi)容包括：激光技術(shù)激光技術(shù)導(dǎo)波光電子技術(shù)（光子學(xué)，光無源器件）導(dǎo)波光電子技術(shù)（光子學(xué)，光無源器件）晶體光學(xué)與電光器件晶體光學(xué)與電光器件

2、（電光、磁光、彈光、聲光（電光、磁光、彈光、聲光）半導(dǎo)體光電子器件物理與技術(shù)半導(dǎo)體光電子器件物理與技術(shù)(LD, LED, EAM, PD)聚合物材料與器件聚合物材料與器件涉及領(lǐng)域：電磁理論，半導(dǎo)體物理，量子力學(xué)涉及領(lǐng)域：電磁理論，半導(dǎo)體物理，量子力學(xué)光電子學(xué)與光電子技術(shù)光電子學(xué)與光電子技術(shù)傅立葉光學(xué)激光與紅外物理學(xué)非線性光學(xué)強(qiáng)光光學(xué)效應(yīng)電 光 效 應(yīng)磁 光 效 應(yīng)彈 (聲)光效應(yīng)半導(dǎo)體光電子學(xué)光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)發(fā) 光 效 應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)導(dǎo)波光學(xué)非線性光學(xué)效應(yīng)介質(zhì)導(dǎo)波效應(yīng)光電子學(xué)光電子學(xué)混頻移頻鎖模調(diào)激光Q光載波源復(fù)用傳感調(diào)制偏轉(zhuǎn)開關(guān)光信號加載反饋中繼偏振隔離耦合波導(dǎo)光信號傳輸存儲全息濾波共軛頻譜卷

3、積相關(guān)邏輯延遲放大補(bǔ)償整形解調(diào)光信號處理探測顯示光信號接收光電子技術(shù)光電子技術(shù)基礎(chǔ)：各種技術(shù)共同的基本規(guī)律基礎(chǔ)：各種技術(shù)共同的基本規(guī)律2022-3-222 教材：參考書籍：1.A. Yariv現(xiàn)代通信光電子學(xué)或光電子學(xué)導(dǎo)論或量子電子學(xué)2.馬養(yǎng)武、王靜環(huán)等光電子學(xué)馬養(yǎng)武、王靜環(huán)等光電子學(xué)3.陳天杰激光基礎(chǔ)4.朱京平 光電子技術(shù)基礎(chǔ) 2005 20092022-3-223課程內(nèi)容 第一部分：激光原理（6周） 第一章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ) 第二章 介質(zhì)中的光增益 第三章 激光振蕩與工作特性 第二部分：光纖波導(dǎo)（2周）（光纖傳感器） 第四章 光輻射在介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播 第三部分：光電檢測（2周） 第五章

4、 光輻射的探測 第七章 光電轉(zhuǎn)換器件2022-3-224 第四部分：激光器件（4周） 第六章 發(fā)光器件課程內(nèi)容 第五部分：光波調(diào)制（2周） 第八章 光波調(diào)制（前3節(jié)） 課程特點(diǎn)：內(nèi)容繁雜，知識點(diǎn)多，涉及面廣。2022-3-225引 言 電子學(xué)：以電子作為信息的載體。 光電子學(xué)：以光子作為信息的載體，研究光與物質(zhì)（電子）相互作用的學(xué)科。 激光：高相干度、高亮度、發(fā)散角小等優(yōu)點(diǎn)。 優(yōu)點(diǎn)：載波頻率高（光波頻率）、傳輸速度快、光電子器件響應(yīng)快、多通道并行處理能力強(qiáng)、防電磁干擾及存儲能力強(qiáng)。2022-3-226應(yīng)用及產(chǎn)業(yè) 一、信息應(yīng)用類光纖通訊（寬帶網(wǎng)）光通訊自由空間通訊光學(xué)信息及圖像處理光學(xué)傳感、探測

5、及測量光纖傳感器2022-3-227應(yīng)用及產(chǎn)業(yè) 二、能量應(yīng)用類利用激光能量進(jìn)行的各類材料的加工（激光打標(biāo)）利用激光能量的激光熱核聚變及激光能量傳輸應(yīng)用利用激光能量的現(xiàn)代武器裝備2022-3-228第一章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ) 1-1 光的波動理論與光子學(xué)說 光的顯著特性：波粒二象性光波既有波動性也有粒子性。等傾干涉干涉等厚干涉多光束干涉波動性菲涅耳衍射衍射夫瑯和費(fèi)衍射粒子性：光電效應(yīng)在光的照射下材料表面發(fā)射電子的現(xiàn)象2022-3-229 一、光的波動學(xué)說 1. 麥克斯韋方程組0LsLssVsBE dldStDH dlJdStD dSqdvB dS （1）積分形式環(huán)路定理高斯定理2022-3-2

6、210(111) (112)0(113)(114)DHJtBEtBDJ （2）微分形式式中： 為電流密度； 為電荷密度。此方程適用于任何媒質(zhì)。2022-3-2211 2. 介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系001rrDEBHJE 電阻在靜止、線性、各向同性介質(zhì)中：介質(zhì)的介電常數(shù)式中：介質(zhì)的磁導(dǎo)率電導(dǎo)率麥克斯韋方程組可確定空間中在初始條件的電磁場分布邊界條任一點(diǎn)任意時刻件2022-3-2212 3. 電磁場的波動方程22AAA)BEtEEE 根據(jù)麥克斯韋方程組的第二個方程對方程兩邊取旋度(利用附錄（213）式:（）左邊：（）2022-3-22132200000:(1)rrBHHtttDJttJDttDEPPEEEE

7、E 右邊：（利用1-1-1式）（）對各向同性介質(zhì)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度矢量：介質(zhì)的極化率：相對介電常數(shù)：絕對介電常數(shù)2022-3-2214222p00( )0,0( )00()00JEEEttaJbPDEPEPE 左邊:（）:右邊電磁波在無源區(qū)傳播假設(shè)：介質(zhì)均勻極化2022-3-221522222200EEtHHt電場的方程可簡化為：(1-1-波動方程磁14)此即為(1-場的波動方程1-16)2022-3-2216222222110(1 1 15)1022v=EEvtHHvt 介質(zhì)中光速波動方程可寫為：2022-3-2217 4. 邊界條件1212121212121212()()0()0()nnss

8、nnttttssDDnDDBBnBBEEnEEHHJnHHJ或(1-1-17)或(1-1-18)或(1-1-19)或(1-1-20)ssnJt： 電 荷 面 密 度： 表 示 法 線 方 向： 面 電 流 密 度： 表 示 切 線 方 向2022-3-2218 5. 電磁波的有關(guān)性質(zhì)(1) 光是一種橫波橫波：光波的振動方向與波的傳播方向垂直2022-3-2219 （2）能量密度電磁場內(nèi)單位體積中包含的電場和磁場的能量。221122emEHSEHSS能流密度（坡印廷矢量）單位時間內(nèi)通過垂直于光傳播方向上單位面積的能量（1-1-23）能流密度 與能量密度 的關(guān)系：=（1-1-24）v2022-3-

9、2220 （3）時諧變電磁場0000()()ee()e2cos=R R R mjtzjzj tmmjzmmj tmtzeeeee 2均勻平面波： (z,t)=()（1-1-25）復(fù)數(shù)表示法： (z,t)定義復(fù)振幅：(z,t)采用復(fù)振幅表示方法，波動方程可簡化為：（r）+k （r）=0 亥姆霍茲方程2022-3-2221 二.光子學(xué)說 認(rèn)為光是由一些以光速c傳播的物質(zhì)單元光子組成 1.光子的物質(zhì)性0020=h2.=20ahhbnnkhccm 2.能量 （1-1-32）動能 （1-1-33）c.質(zhì)量 m=（1-1-34） 當(dāng)光速為零時，光子靜態(tài)質(zhì)量。光子還具有兩種獨(dú)立的偏振態(tài)，具有自旋。2022-

10、3-2222 2.光子的狀態(tài)描述 （1）相體積：描述光子狀態(tài)所能分辨的最小尺度。 測不準(zhǔn)原理3346.626 10 xyxyzzxhyhx y zhzhhJ S 坐標(biāo)空間體積動量空間體積普朗克常數(shù)2022-3-2223 （2）態(tài)密度2234( )41,VppdpVp dpG p dpVp dp hhhnnhVpdpdcc單位體積內(nèi)，準(zhǔn)單色光（+d ）內(nèi)所包含的光子狀態(tài)數(shù)目。設(shè)空間體積為 ，動量在 范圍內(nèi)的光子所對應(yīng)的相體積為：則在坐標(biāo)動量空間中，光子的狀態(tài)數(shù)為：取單位體積，；2022-3-222423323323( )44( )8(1 1 41)dhnnhPddhccndcnPddc 則光子頻

11、率在 范圍內(nèi)的狀態(tài)數(shù)為：考慮到光子有兩個偏振態(tài)，2022-3-2225d例子:一束準(zhǔn)單色球面波( )在立體角d 內(nèi)傳播，求光子狀態(tài)數(shù)。3233232448( )842cdcdVdt dsdtdsdnnnddVdccndtdsddncdtdsdd解：坐標(biāo)空間體積為：=狀態(tài)數(shù)為：2022-3-2226 23(3)1,1.38 101hktJnkKe簡并現(xiàn)象與光子簡并度簡并：多個光子處于同一量子態(tài)的現(xiàn)象。光子簡并度：處在同一量子態(tài)的平均光子數(shù)目玻色愛因斯坦分布：350.610mn例：，T=300K時，簡并度很低。受激輻射激光，具有極高的簡并度。2022-3-22271-2 物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與能量狀態(tài)一

12、.原子的微觀結(jié)構(gòu)1.原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）“行星結(jié)構(gòu)”質(zhì)子原子核中子原子軌道運(yùn)動核外電子自旋運(yùn)動電子自旋假設(shè)1925年由荷蘭學(xué)生烏侖貝克和古茲米特提出。2022-3-22281212H1 2 3.13.63.94nnevEev n1（2）殼層結(jié)構(gòu)電子只能在大小一定，彼此分隔的一系列軌道上運(yùn)動。與軌道對應(yīng)的能量能級以氫原子 為例：、氫原子2022-3-22292、同一殼層能量產(chǎn)生差異的原因圓形（能量高）（1）軌道形狀及其取向橢圓形（能量低）（2）角動量耦合（L-S耦合）軌道角動量方向相同（能量大）耦合自旋角動量方向相反（能量小）2022-3-22302022-3-22312322,8,18,32,

13、50,72,98nn、描述電子微觀狀態(tài)的量子數(shù)（1）主量子數(shù)n：表示原子的主殼層，代表了電子能量的主要部分。n=1,2,3,4,5,6,7K L M N O P Q主殼層上電子個數(shù)：N2022-3-22322(21)2,6,10,14,18,32llll（2）角量子數(shù) （副量子數(shù)）表示主殼層中的次殼層。=0,1,2,3,4,5,.n-1(共n個取值) s p d f g h次殼層電子個數(shù)：N2022-3-2233 鈉原子的核外電子分布：2022-3-2234(1)()(4)()(1)sjs slj lslj j 1(3)自旋量子數(shù)s=2描述自旋角動量的大小，1+同向2內(nèi)量子數(shù) =1-反向2描述

14、自旋角動量與軌道角動量耦合后的總角動量的大小2022-3-22354,0, 1, 2,.120, 1, 2,.30, 1, 2, 3lsjlsjjm mmmlmmjm 、原子在外磁場中微觀狀態(tài)的確定磁量子數(shù)和以為例,J2022-3-22361,2,3.1,2,3.0,1,2.10,1,2.110, 1, 2,.210, 1, 2,.2lsjnnlnlnabmljlslmmj 確定電子唯一狀態(tài)的量子數(shù)：2022-3-22375lsnlmm、泡里不相容原理不能有兩個電子同時處在同一個狀態(tài)即：標(biāo)志兩個原子狀態(tài)的量子數(shù)（ 、 、）必定有一個不相同。例：鈉原子核外電子的量子數(shù)2022-3-2238202

15、2-3-22396、和能量最低原理：電子填充能級總是從能量最低能級開始，最低能級填滿后，再填充較高能級。次殼層填充順序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f2022-3-2240 部分原子的電子組態(tài)122122221222223224225H1sHe1sLi 1s 2sBe1s 2sB1s 2s 2pC1s 2s 2pN1s 2s 2pO1s 2s 2pF1s 2s 2p22622612262226212262222623226242262522626Ne1s 2s 2pNa1s 2s 2p 3sMg1s 2s 2p 3sAl 1s 2s 2p 3s 3pSi

16、1s 2s 2p 3s 3pP1s 2s 2p 3s 3pS1s 2s 2p 3s 3pCl 1s 2s 2p 3s 3pAr1s 2s 2p 3s 3p41nd25 2ajlj1 25 2二、能量狀態(tài)的表示方法、價電子的狀態(tài)符號氫原子基態(tài)電子的狀態(tài)符號：角量子數(shù)值1s值例：3表示電子處在第三殼層，次殼層，的微觀狀態(tài)。2022-3-22423 22nS3,2,3 2bjDnlj21 22、原子的狀態(tài)符號表示簡并度角量子數(shù)值1值簡并度=2S+1例：3表示電子處在的微觀狀態(tài)。2022-3-2243表1-2-1具有一個價電子的原子的狀態(tài)表示2022-3-2244,1,2,iislJLS LSLSLS（2）多電子情況總動量矩的矢量合成L-S耦合：將各個電子的按矢量加法合成原子的總自旋動量矩 ；將各個電子的合成原子的總軌道動量矩 ，則原子的總動量矩為：= +可取的自旋動量矩軌道動量矩數(shù)值為：S SL LJ L SJ L SJ J2022-3-2245,1,2,iiiiaj ls lbSs LlJLS LSLSLS.單電子L-S耦合=1 2、多電子L-S耦合=2022-3-2246121212113301,111221102201101111112 1 013spSssSSssLllSJLSs p