光電子學基礎第一章光與物質相互作用基礎第一講

湖南大學物理與微電子科學學院，王玲玲2016年03月物理與微電子科學學院SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience善教者，使人繼其事請關掉手機王玲lwang@

QQ：512897575辦公室：知新樓203課程網址：/G2S/Template/View.aspx?action=view&courseType=0&courseId=731一、講授內容（1）

二、前言

第一章光與物質相互作用基礎§1-6譜線形狀和寬度§1-5自發輻射、受激吸收和受激輻射§1-4黑體輻射

§1-3熱輻射的一般概念§1-2物質的微觀結構與能量狀態§1-7均勻加寬和非均勻加寬

§1-8輻射的經典理論§1-1光的波動理論與光子學說§2-3介子中的增益飽和與燒孔效應§2-2光在介質中的小信號增益§2-1粒子數的反轉分布第二章介質中的光增益一、講授內容（2）二、前言

第三章激光振蕩與工作特性一、講授內容（3）二、前言

§3-5激光的橫模及高斯光束§3-4激光的縱模與頻率特性

§3-3激光產生的閾值條件

§3-2光學諧振腔

§3-1激光的特性§3-6連續激光器的輸出功率與最佳透過率

§4-7光纖損耗與色散§4-6光纖中電磁波模式理論§4-4矩形介質波導基本概念§4-3平板波導的電磁理論§4-2介質平板光波導的射線分析方法§4-1光在介質分界面上的反射與折射§4-8光波導裝置與應用§4-5光纖中的射線分析（上、下）第四章光輻射在介質波導中的傳播一、講授內容（4）二、前言

§5-4光輻射的探測方法

§5-3光輻射探測過程中的噪聲

§5-2光探測的基本物理效應

§5-1物質中的光吸收第五章光輻射的探測一、講授內容（5）二、前言

§6-4倍頻和混頻§6-3位相匹配§6-5光參量放大與振蕩§6-6受激散射§6-1非線性光學的物理基礎§6-2非線性介質中的電磁波傳播方程第五章非線性光學一、講授內容（6）二、前言

光與物質相互作用基礎1§1-6譜線形狀和寬度§1-5自發輻射、受激吸收和受激輻射§1-4黑體輻射

§1-3熱輻射的一般概念§1-2物質的微觀結構與能量狀態§1-7均勻加寬和非均勻加寬

§1-8輻射的經典理論§1-1光的波動理論與光子學說第一講要點回顧麥克斯韋方程；麥氏方程導出波動方程;

解波動方程;

電磁波性質;

介紹課程內容物質微觀結構與能量關系1

32《光電子學教程》

張季熊編著華南理工大學出版社

2005年1月第1版第3次印刷《光電子學原理應用》

王雨三、張中華、林殿陽編著哈爾濱工業大學出版社,2005年5月第2版

2005年5月第3次印刷教材

參考書

一、講授內容二、前言§1-1光波動理論與光子學說

§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論教材及參考書光電子技術基礎:各種技術基本規律光電子學與光電子技術

傅立葉光學

激光與紅外物理學非線性光學強光光學效應電光效應磁光效應彈（聲）光效應半導體光電子學光電轉換效應發光效應非線性光學效應導波光學非線性光學效應介質導波效應光電子學混頻移頻鎖模調激光Q

光載波源復用傳感調制偏轉開關光信號加載反饋中繼偏振隔離耦合波導光信號傳輸存儲全息濾波共軛頻譜卷積相關邏輯延遲放大補償整形解調光信號處理探測顯示光信號接收§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言?光源傳輸調制探測成像顯示光電子技術§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言按信息傳遞的各個環節劃分§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言新型光學和光電子器件光學與電子學結合—光電子學—研究光與物質相互作用新興學科，電子技術在光頻波段延續與發展。

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言研究光（相干光）產生，傳輸，控制和探測技術。

定義課程做到：1基礎知識傳授：物理概念及理論方法；2理論與實踐結合：光電子學在有關領域應用。

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言

出發點：

一完整信息系統包括光載波源，光信號傳播，光信號調制，光信號探測與解調。太赫茲科學（THz）THzGap頻率：0.1–10THz（3–0.03mm）

宏觀電子學向微觀光子學過渡頻段所有大分子的轉動和振動頻率電子，信息，生命，國防，航天應用前景§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言狗紅外線照片

紅外線（Infrared）：介微波與可見光間EM波，760nm-1mm，比紅光長非可見。覆蓋物體發熱輻射波段。穿透云霧能力比可見光強—紅外光，通訊，探測，醫療，軍事用。

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言課程介紹：1234輻射概念，光產生、傳輸、探測為線索，闡述：激光產生原理與特性、

光在介質中傳輸特性及光探測原理與方法、非線性光學；

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言注重例:太陽能電池內容

介紹光電子學；物理概念，理論聯系實際，涉光電子學領域。工作原理，效應：1.光熱2.光電3.光化

使學生了解光電子學研究對象范圍及應用§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論電磁波理論半導體物理固體物理

激光物理先修課程物理光學§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容二、前言3.激光特性4.激光應用231激光基礎：

愛因斯坦受激輻射理論第一臺激光器發明：

1960梅曼紅寶石激光器

激光特性：

單色性好方向性好亮度高高量子簡并度§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、講授內容

二、前言1.激光理論基礎2.第一臺激光器發明激光器受激發射放大相干光輻射（激光）。19600707，紐約時報，梅曼世界第一臺紅寶石激光器，閃光燈光線照進手指大紅寶石晶體，相干脈沖激光束。頂尖實驗室爭第一發明激光器，其雇主洛杉磯休斯飛機公司勝。1激光“鐳射”，“萊塞”，LASER，LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，“受激輻射光放大”。1964錢學森“光受激發射”—“激光”。2希爾·多梅曼

19600517，TedMaiman（梅曼）發明第一臺激光器固體激光器§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.激光特性4.激光應用一、講授內容二、前言1.激光理論基礎2.第一臺激光器發明

1234工業加工軍事醫學存儲信息光通訊15核聚變§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.激光特性4.激光應用一、講授內容

二、前言1.激光理論基礎2.第一臺激光器發明§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.激光特性4.激光應用一、講授內容二、前言1.激光理論基礎2.第一臺激光器發明激光束聚焦材料表面熔化，光束與材料沿定軌跡相對運動，形成一定形狀切縫；

金剛石鋸片激光焊接成套設備和焊成金剛石鋸片§1-1光波動理論與光子學說

§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①工業加工②軍事上應用③醫學上應用3.激光特性4.激光應用一、講授內容二、前言1.激光理論基礎2.第一臺激光器發明改善和火焰切割切口質量，推廣氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。武器§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①工業加工②軍事上應用③醫學上應用3.激光特性4.激光應用一、講授內容二、前言1.激光理論基礎2.第一臺激光器發明雷達測速測距通信敵我識別制導穿耳

打孔（治結石）生命科學診斷治療

齲齒診斷脫礦，淺齲隱匿齲治療切割充填物聚合，窩洞處理§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①工業加工②軍事上應用③醫學上應用3.激光特性4.激光應用一、講授內容二、前言1.激光理論基礎2.第一臺激光器發明其出現，強武器，物質世界深入探索，發現新現象，認識新規律

無法以宏觀理論為基礎

微粒或波動說完善，波粒二象性描述微觀世界物質波動特征；光波粒二象性，波動微粒性，光與物質互作用現象及規律深認識

光認識經歷

微粒說

納米電子學波粒二象性波動說對光屬性§1-1光波動理論與光子學說

§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論J-I密度-電荷密度總結變化E產生H，變化H產生E，描述EM場規律。麥克斯韋方程：目的：麥克斯韋方程導出波動方程！

旋度散度詹姆斯·克拉克·麥克斯韋一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質麥克斯韋創立EM波理論，光短EM波，適光波。

1電場量

2磁場量電場強度E

電位移矢量D

磁感應強度B

磁場強度H

關系:

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論積分形式

一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論10.圓周長公式c=2r9.傅立葉變換8.德布羅意方程組p=hk,E=h7.1+1=26.薛定諤方程5.質能方程E0=mc24.勾股定理/畢達哥拉斯定理a2+b2=c23.牛頓第二定律F=ma2.歐拉公式ei+1=01.麥克斯韋方程組世界上最偉大十個公式：一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論高斯定理：斯托克斯定律：

高斯定理，斯托克斯定律散度旋度用到解麥克斯韋方程組得波動方程中一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論J-I密度散度-電荷密度旋度微分形式

一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論（Ⅳ）隨時間變化電場激發渦旋磁場（Ⅰ）電位移矢量或電感應強度D散度=電荷密度0，電場有源場

（Ⅲ）

磁感強度B散度0，磁場無源場

麥克斯韋方程組物理意義（Ⅱ）隨時間變化磁場激發渦旋電場一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論不符合右手法則（負）tB??符合右手法則（正）tD??電場與磁場激發一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論電磁波傳播電場波源磁場磁場磁場磁場磁場電場電場電場確定E和H，了解D與E,B與H關系。

靜止線性，各向同性介質：

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

麥氏方程組麥氏方程組導出E或H變化規律。

求E微分方程。（1-1-2）E旋度兩邊取旋度：

(1-1-6)及(1-1-1)帶入(1-1-8)：各向異性，D(1-1-5)帶入(1-1-9)。D：

P電極化強度，P與E關系：

電極化率。(1-1-10)代入(1-1-9)：

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

由解E波動方程（E滿足微分方程）。

假設：2341

2EM波傳播（不在源區），J=0,=0均勻介質極化，束縛體電荷密度(1-1-12)寫成：0=0=目的：麥氏方程導出波動方程！§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

導出

--E波動方程

解E波動方程：寫為：由(1-1-15)：v電磁波介質中傳播速度§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質或(1-1-14)：

(1-1-13)：含P微商源項，介質極化影響

麥氏方程二個E，二個M量。

類似，H波動方程：

--E波動方程§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質界面兩側電場法向分量躍變電場切向分量連續磁場切向分量躍變磁場法向分量連續§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質波動方程與邊界條件結合，定EM場分布。邊界條件：

s,Js電荷面密度和面I密度n法線向t切線向

s,Js為0

Dn,Ht界面連續

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論麥克斯韋方程：波動方程：一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質問題：為什么光波是電磁波？1)麥氏方程推導，電磁波在真空速度

實測真空光速2)麥氏方程：電磁波在介質中速度（非鐵磁質=1）

折射率§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

如光波是電磁波，比較上兩式：測無極分子物質:計算與測量折射率很好符合；

測有極分子物質：

用光波頻值，成立。

平時低頻電場測量。

故麥克斯韋判定，光波電磁波。麥氏關系太赫茲科學（THz）THzGap所有大分子的轉動和振動頻率E和H振動向光傳播向k平面內E,H互E,H,k右手螺旋關系

①光是橫波②能量密度與能流密度概念§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論③時諧變電磁場概念④電場矢量與磁場矢量關系⑤平面波極化⑥光在介質中傳播時傳播常數⑦光在自由空間中傳播是行波一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質電磁波橫波，E,H和K（K傳播向單位矢量）兩兩

E和H幅度成比例，復角等S與w關系：§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①光是橫波②能量密度與能流密度概念③時諧變電磁場概念④電場矢量與磁場矢量關系⑤平面波極化⑥光在介質中傳播時傳播常數⑦光在自由空間中傳播是行波一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

能量密度(w)：電磁場內單位體積，電場能量密度(we)與磁場能量密度(wm)和:能流密度(S)：單位t通過光傳播方向單位面積能量—坡印廷矢量v光（電磁波）在介質傳播速度

沿z傳播光波,電場變化：

--光，沿z傳播單位距離引相位變，0--初位相§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①光是橫波②能量密度與能流密度概念③時諧變電磁場概念④電場矢量與磁場矢量關系⑤平面波極化⑥光在介質中傳播時傳播常數⑦光在自由空間中傳播是行波一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

時諧變電磁場，復數方便：

解E波動方程:§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①光是橫波②能量密度與能流密度概念③時諧變電磁場概念④電場矢量與磁場矢量關系⑤平面波極化⑥光在介質中傳播時傳播常數⑦光在自由空間中傳播是行波一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

Re--實部,括號定義復振幅,(1-1-26):復數，波動方程(1-1-14)：

—亥姆霍茲方程，解諧場分布方程。光真空傳播,§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①光是橫波②能量密度與能流密度概念③時諧變電磁場概念④電場矢量與磁場矢量關系⑤平面波極化⑥光在介質中傳播時傳播常數⑦光在自由空間中傳播是行波一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

每對E與H復振幅比—波阻抗：傳播向平面，E與H。電場y分量，磁場x分量，

Ey與Hx一組分量波，Ex與Hy另一組。

E,H,k滿足右手螺旋定則,+

無損耗介質,實數，空間任點電與磁場同相位，電與磁場量瞬時值比=波阻抗。理想介質,=0,光傳播隨空間坐標(z)變化律,介電常數實數;

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①光是橫波②能量密度與能流密度概念③時諧變電磁場概念④電場矢量與磁場矢量關系⑤平面波極化⑥光在介質中傳播時傳播常數

⑦光在自由空間中傳播是行波一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

--損耗系數，--相位常數

非理想介質,,介質常數復數,,由(1-1-30),,光在介質傳播衰減,光隨z變化律:為光,沿z傳播單位距離相位變,.光傳播，場量（電例）在一方向振動，線性極化波。特點：x,y場量相位差0或

兩分量相位差不滿足0或，振動矢量方向隨光傳播變，橢圓偏振光（圓），極化研究光傳播特性部分透過，§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①光是橫波②能量密度與能流密度概念③時諧變電磁場概念④電場矢量與磁場矢量關系⑤平面波極化⑥光在介質中傳播時傳播常數⑦光在自由空間中傳播是行波一、光的波動學說二、光子學說1.麥克斯韋方程與波動方程2.電磁波的有關性質

傳播遇介質：部分反回。滿足一定邊界條件，入射與反射波合成駐波，穩定光強分布。

1234光波動學說：解釋光干涉,衍射成功；輻射困難。核心：以光速c傳播物質單元—光子組成。光有波動，也有粒子性—光子學說。新學科：納米光子學

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說②光子有動量P,3.光子的簡并度光子的相干性4.光子的相干性§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、光的波動學說二、光子學說1.光子的基本屬性2.光波模式，光子態和相格①光子有能量,

光子行進方向單位矢量,③光子有質量m,靜態④光子兩獨立偏振態，自旋。

動態質量與能量關系微觀粒子:測不準關系限制,位置與動量不同時確定：≥--同時確定，≤--不精確確定

三維坐標：范圍，光子態不精確確定h3相體積(相格)—光子分辨最小尺度,光子態對應不是點，相格（六維空間體積），坐標空間體積：一光子占相體積h3,空間V光子態數:光子兩偏振態：—單位體積,光子集合范圍狀態數—態密度。態密度：§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.光子的簡并度光子的相干性4.光子的相干性一、光的波動學說二、光子學說1.光子的基本屬性2.光波模式，光子態和相格空間V,動量處p~p+dp光子集合對應相體積:以(n折射率)及代上式,光子范圍光子態數（態密度）：

有限空間，光子數按動量或分布？光束dt內占體積(dsc/n)dt(ds光束截面積),立體角內,dt通過ds面積在范圍光子：

相格：光子有兩偏振態態密度：§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.光子的簡并度光子的相干性4.光子的相干性一、光的波動學說二、光子學說1.光子的基本屬性2.光波模式，光子態和相格

光子在一定立體角范圍行進，態密度乘.一相格代表光子量子態，不同電子，多光子處同量子態—簡并，同量子態平均光子數光源光子簡并度。

例:可見光,,T=300K,,常T光頻光子簡并度低,特殊法光頻段獲高簡并度,新光源—光受激輻射(激光).

§1-1光波動理論與光子學說

§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.光子的簡并度光子的相干性4.光子的相干性一、光的波動學說二、光子學說1.光子的基本屬性2.光波模式，光子態和相格輻射體（黑體）處一狀態平均光子數：光子服從波色—愛因斯坦分布律，允許兩個以上光子處同量子態，或同相格。341新光源單色亮度高,23大量光子處同量子態,確定運動方向,和偏振—相干光,

比普通光多優越性.§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.光子的簡并度光子的相干性4.光子的相干性一、光的波動學說二、光子學說1.光子的基本屬性2.光波模式，光子態和相格一、講授內容(1)二、前言

第一章光與物質相互作用基礎§1-6譜線形狀和寬度§1-5自發輻射、受激吸收和受激輻射§1-4黑體輻射

§1-3熱輻射的一般概念§1-7均勻加寬和非均勻加寬

§1-8輻射的經典理論§1-1光的波動理論與光子學說§1-2物質的微觀結構與能量狀態1.主量子數n2.副量子數l

描述一電子微觀態多量子數表示:1234主量子數n

副量子數

l

自旋量子數s

內量子數j

5軌道及自旋動量矩在磁場向投影量子化,磁量子數ml,ms及總動量矩磁量子數mj

一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.自旋量子數s4.內量子數j四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律

電子填充規律:能量最低原理泡利不相容原理系統,不能兩或兩個以上電子處同量子態;

電子填充能級低,低態填滿,再填高態.兩規律符合,殼層填充電子數不完全按上殼層微觀狀態數進行.

如:n=1-4,填滿殼層電子數分別：2,8,8,18，電子繞核旋轉軌道不同，某些高殼層低電子能級比低殼層高電子能級更低—能級交錯。

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律泡利不相容原理、能量最低原理；支殼層能量由低到高：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p…

電子填充支殼層先后順序，確定原子電子基本組態；

Si（Z=14）基態電子組態1s22s22p63s23p2簡3s23p2，

能級被電子填滿殼層省去；一3p電子激發到4s態，

Si原子電子態；3s23p4s；

123磁性出現在有內不滿殼層電子態元素，如：

鐵族3d，稀土4f

4§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律分子總能:r0附近振動能級：

振動狀態改變選擇定則:同一電子運動能量范圍內轉動能量改變選擇定則：

振動位移大，互作用力不是準彈性力

J轉動慣量

分子只轉動能量量子化:§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律We—電子運動能

W—轉動能W—振動能固體能帶如何形成？構成？

能帶結構形成：

1231固體多原子組成，含原子核及多電子，電子運動態多體問題，無法嚴格解。

2多體簡化多電子，電子原子核勢場及其他電子平均場運動，多電子簡化單電子運動態。§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律原子間靠近，相互作用強。

運動致能級分裂，原孤立原子存在，能級離散，聚合，共有化電子占據同能級，不符合泡里不相容原理，互作用，一能級分成多接近能級，能帶。光學現象：電荷能帶間躍遷造成。①外層電子共有化②能帶的形成

大量原子排成晶體，電子受本身原子核作用，受鄰近原子核影響，內層電子受原子核束縛影響小；

價電子或外層電子不同，外層電子受鄰近原子作用強，易脫離原原子進入其他原子。電子不屬各原子，屬整個原子，稱電子共有化。

1.能帶的形成2.電子填空能帶的情況3金屬、半導體、絕緣體的能帶結構§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律1s2p2sEo原子間距

禁帶

禁帶

能帶

N同自由原子，原子內電子同分立能級，N重簡并，N原子漸靠近，原束縛在單原子中電子，不在一能級存在（違反泡利不相容），分裂N靠近能級（10-22ev），能差小，能量連續區—能帶。

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論①外層電子共有化②能帶的形成

1.能帶的形成2.電子填空能帶的情況3.金屬、半導體、絕緣體的能帶結構一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律(1)滿帶：滿帶電子從原態轉移另態，另電子必反轉移。無額外定向運動。

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.能帶的形成2.電子填空能帶的情況3.金屬、半導體、絕緣體的能帶結構一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律各能級被兩自旋反電子填滿滿帶電子不形成I！(2)導帶:能級沒被電子填滿(3)空帶:各能級沒被電子填充(4)價帶:價電子處帶導帶

電子外場作用躍遷高能級形成I—導帶

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.能帶的形成2.電子填空能帶的情況3.金屬、半導體、絕緣體的能帶結構一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律禁帶在電子波矢：

量子力學，電子與周期勢壘作用，有些能量值不允許電子有，電子能量圖出現容許與禁帶交替排列：

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態

§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.能帶的形成2.電子填空能帶的情況3.金屬、半導體、絕緣體的能帶結構一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律半導體,兩容許電子能量存在導帶及價帶，兩者間禁帶。(1)導體：價帶（價電子處帶）導帶或等效導帶空帶導帶滿帶滿帶滿帶空帶重疊相連

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態

§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.能帶的形成2.電子填空能帶的情況3.金屬、半導體、絕緣體的能帶結構一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律空帶與滿帶重疊空帶與滿帶相連

滿帶空帶禁帶

(2)絕緣體：只滿帶和空帶，禁帶寬度大金剛石兩C原子距15nm,Eg=5.33eV

§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態

§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.能帶的形成2.電子填空能帶的情況3.金屬、半導體、絕緣體的能帶結構一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律(3)半導體：價帶滿，禁帶寬度小導體，半導體，絕緣體不同，能帶不同滿帶

空帶禁帶如;SiEg=1.14eV

GeEg=0.67eVGaAsEg=1.43eV金屬導電與半導體導電差：§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態

§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.能帶的形成2.電子填空能帶的情況3.金屬、半導體、絕緣體的能帶結構一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律金屬載流子自由電子；半導體載流子導帶電子和價帶空穴。1.麥克斯韋速率分布律

2.波耳茲曼分布律微觀粒子運動態遵統計分布律；

氣體分子速度大小，某種能量粒子多少概率法。

麥克斯韋速率分布律。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論3.費米分布律4.玻色分布律四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律分子比率：

熱平衡，分布v~v+dv分子比率（微觀粒子速率分布律）

v分布函數,

m分子質量分子空間位置分布勢能定：速率分布律：確定區間v~v+dv沿可能方向運動分子比率，

分子vx~vx+dvx,vy~vy+dvy,vz~vz+dvz分子比率，麥克斯韋速率分布律：gi能級E簡并度，能量微觀態（量子）數。

測不準關系,,,，粒子動量及坐標六維空間，體積元h3粒子一微觀態，括號內粒子能量~+d微觀態數。

微觀粒子按能量連續分布律，路德維希·玻爾茲曼§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.麥克斯韋速率分布律2.波耳茲曼分布律一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態3.費米分布律4.玻色分布律四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律測不準關系，熱平衡，

能量粒子數dN與exp(-/kT)和能量態數(dpxdpydpzdxdydz/h3)乘積正比：

f(E)--費米分布函數；恩利克·費米§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.麥克斯韋速率分布律2.波耳茲曼分布律3.費米分布律

4.玻色分布律四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律服從泡里不相容原理粒子（電子質子中子），能量幾率：

EF處禁帶，導帶能級E與EF差遠>kT，費密分布律轉化玻耳茲曼分布律，電子有能量E幾率與EF,，T有關。

一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態不滿足泡里不相容原理粒子（光子，介子）按能量分布律玻色分布：薩特延德拉·納特·玻色

能量幾率：§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論1.麥克斯韋速率分布律2.波耳茲曼分布律3.費米分布律4.玻色分布律四、固體的能帶五、微觀粒子的統計分布規律一、原子的微觀結構二、能量狀態的表示方法三、分子結構及能量狀態幾種分布比較§1-1光波動理論與光子學說§1-2物質微觀結構與能量狀態§1-3熱輻射一般概念§1-4黑體輻射§1-5自發輻射,受激吸收和受激輻射§1-6譜線形狀和寬度§1-7均勻加寬和非均勻加寬§1-8輻射的經典理論波耳茲曼分布律玻色分布律

不滿足泡里不相容原理粒子按能量分布規律費米分布速率分布函數分子比率

粒子數麥克斯韋速率分布律

1.麥克斯韋速率分布律2.波耳茲曼分布律3.費米分布律4.玻色分布律

四、固體的能帶五、微觀粒子的