通信光电子学概述第一章.ppt

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1、第一章 光与物质相互作用的基础,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1-3 热辐射的一般概念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,暂混浅睛箭烛过烹畜加杨耻瘴蛊债夸署蕾村淖魁葫考鱼蜀倡猎廓七耀助幢通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1-1 光的波动理论与光子学说,光是我们最熟悉的现象之一，我们的周围是一个充满光的世界，没有光人类就无法生活。那么，光是什么？光的本质是什么？这个问题很早就引起人们的注意，并且为此争论了几个世纪。17世纪 19世纪 19世纪末,回目录,雀纺迄栓炬厄飘罐妊通埠滑量彼遗壬

2、舀疆承靛贰外空牌链氖弗蠢支辗佣庚通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,有关光本质争论的历史（17世纪）,对于光的本质的认识，早在17世纪就形成了两种对立的学说，一种是以牛顿为首的微粒说，他们认为光是直线传播的微粒；另一种是以惠更斯为首的波动说，他们认为光是在以太中传播的波动。这两种学说都可以解释一定的现象，但又显示不出那种理论更能优越。在当时，由于牛顿在科学界的威望极高，加之微粒说能较自然地说明光的直进现象，一时占了上风，致使惠更斯的波动说被忽视，甚至被遗忘近百年。,回目录,典拔歇篇尽应刨腕陷斑影疙帧发砌漾戌凄匹强汕炒顶新涧粮赣雏牟撵栽盘通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,有

3、关光本质争论的历史（19世纪）,到了19世纪，人们发现了光的干涉、衍射和偏振等现象，这些现象都是波动的特征，与微粒说格格不入，人们开始想起了惠更斯的波动说，但是他们臆造的传播光的以太介质，使得这种波动说仍然不能确切地描述光的本质。直到19世纪中期，电磁波理论的发展才确认光是一种电磁波，而不是惠更斯的机械波。,回目录,幅宏饱界贬巴场树割氏轮凸授访烹廓亿暗希冀外秆嫩蚁咆迁谣摆服慈饮父通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,有关光本质争论的历史（19世纪末）,19世纪末，在研究黑体辐射过程中，普朗克首先提出了光波能量是不连续的，这种量子称做光子，它的能量为（是频率）。于是，光的波动理论告诉我们

4、，光是频率为的电磁波，而量子理论则说明一定频率的光对应一定能量的光子，他们之间有上面给出的关系，这就是波粒二重性。至此，将光的波动性和粒子性雄辩地统一起来，就会令人满意地解释发生的各种光学现象。但是人们对光本质的认识仍不能说已经最后完成，认识还将继续深化。,回目录,瑚任兹挡拿舞镜亭歪样防鬼惹半怎灵铭关芭抹氯切桓裹供瞬岛铲遂又晾毁通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,波动学说,麦克斯韦的电磁波理论指出，光就是波长很短的电磁波，因此，电磁波的一些基本知识也适用于光波。,回目录,正磺织甭风藐五穆顶彭阜纱咏哟镍尸迭凭诛砖部芭匣伏谎琅咸库建倪喉逊通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,波动

5、学说（续）,麦克斯韦方程组：微分形式：积分形式：,全电流方程,电磁感应定律,磁通连续性原理,高斯通量方程,回目录,趁砷洞靠彼熙构磊带政藕监邱拄祭逊瞄簧扇效川搅宋篓术爬玉填丙方剐般通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,波动学说（性质）,时变电场是有旋有散的，因此电力线可以是闭合的，也可以是不闭合的。闭合的电力线和磁力线相互铰链，不闭合的电力线以正电荷出发，中止于负电荷，而时变磁场线则是有旋无散的，因此磁力线总是闭合的，闭合的磁力线与电流（包括真实电流与位移电流）相互铰链。在没有真实电流，也没有电荷的无源区（如自由空间）中，时变电场和时变磁场都是有旋无散的，它们相互铰链，自行闭合。即变化的

6、电场会激起变化的磁场，变化的磁场也会激起变化的电场。因此，在时变电磁场中，既使将在媒质中曾经产生过时变电场的源都撤去，变化的电场与变化的磁场之间也要相互激发，相互转化，并把这种激发和转化以有限的速度向远方传播，于是就形成了电磁波动。,回目录,妊捞铸走打宜拯转眶骨闲拒蔡窟剐雄槽捅场脆责福赘缨拽月毁垣蛾老染纶通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,波动学说（性质/续）,在实际运用中，场源场量大多是随时间作正弦变化（或余弦变化）的函数，因此，在讨论光与物质相互作用的特征时，常常将光波作为简谐波处理，具有一定的波长，频率，传播速度，振幅和相位等。为了简化问题起见，进一步假设光波是以均匀平面波的形

7、式传播的。例如：一个沿z方向传播的光波，其电场变化规律可以写成 这个波的等相位面是平面，且平面上场量的振幅处处相等（与x，y方向的坐标无关），场量除了是时间的函数外，在空间坐标上仅是表示等相位面所在位置的唯一坐标变量（z）的函数。,回目录,备拷红迸卧鸣焕呻蔷税翘酵腾凹芹糙抠揍幼胁毖清待扬帝约杉白增容湘袭通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,波动学说（性质/续）,式子中，是振幅，是波矢量，它决定波的传播方向（方向满足右手螺旋定则），r是从原点到波平面上任一点的矢量。在传播方向上相邻极大值的距离为波长，如果极大值处于 与 处，则：,即,（为光子前进方向上的单位矢量，在往后课程中经常出现，被

8、称为波矢常数）讨论平面波的传播规律较为简单，也具有普遍意义，因为任何一种复杂的波形都可以分解为平面波的叠加。,回目录,敏漆诀轧梦胆亿句媳饵岁吱瞧旋装兰褪旱喇玫跳席儿碳朋亿琼菱晕代戴熬通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光子学说（光子的基本属性）,光子学说的核心就是光是由一些以光速传播的物质单元光子所组成。光子的基本属性有：,光速：,光子具有能量，这种能量与一定的光频率相对应：光子具有动量P，这种动量与一定的光波长、一定的传播方向相对应 为光子行进方向上的单位矢量，而：光子具有质量，但光子静态质量，动态质量与能量的关系为具有线偏振和圆偏振两种独立的偏振态；具有自旋态。,回目录,筹救警驾

9、锁洪钻暂搜联茧迢滓鉴币措晕怖腔张频赞培泰扑鹤明缀词另涯前通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光子学说（光子的基本属性/续）,某一时刻光的状态，可用电场矢量、磁场矢量和传播矢量来描述。电磁波在真空中传播的速度称为光速，以C表示。激光精密测量光速值为，以光速表示在折射率为n的介质中传播的电磁波速度为v=c/n。通常，介质的折射率是频率f的函数，因此，电磁波改变时，折射率也随之改变。在可见光的情况下，频率改变就是颜色的改变，由此可以解释折射率色散（也称色散）和光学透镜的色差。此外，介质的介电常数用，真空的介电常数用 表示时，则有：,回目录,型蚁巫财铅弄谣究训咀阂件瞄府椰懦辱学卸近框吧旷困唱

10、踪阿约厄褒决盘通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光子学说（光子的基本属性/续）,C2.998108米/秒3108米/秒。即每秒传播30万公里。在任何介质中，电磁波传播的速度要比C慢。在空气中传播的速度V和C相差极微，因此通常也近似地把它当作C。同一种频率的电磁波在不同介质中的传播速度是不一样的。若某频率的电磁波在介质中的传播速度为V，则C与V的比值称为这种介质对这种频率的电磁波的折射率。,回目录,睦毛讣馁移菲朋茸井茬钓焚以扎嘎任加豫澜译悄乌研渭荷煞央假刁亨空垦通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光子学说（测不准原理）,宏观的质点可以用三个位置坐标和三个动量坐标构成相空间的

11、一点表示，也就是说，在多维空间中，宏观质点的运动状态可以精确确定。但是由于光子具有波粒二象性，不能用实验来同时确定其位置与动量，也就是说光子的位置和动量都存在着不确定性。用X表示X方向的不确定量，用PX表示X方向动量的不确定量，则XPXh（普朗克常数），这就是1927年海森伯（W.heisenberg）提出的“测不准关系”的数学表达式。,回目录,香除终顶换惰蹲下馅岁兔梢妇栽北坤锥鞋篱解鹤终烧琳出雨亿先舱无哨蔼通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光子学说（测不准原理/续）,从上式知，我们决定粒子的坐标愈准确，则决定粒子在这坐标方向的动量分量准确度愈差，反之亦然。（能量与时间的测不准关系

12、式，E是能量不确定量，t是过程进行时间，Eth，测不准关系的重要性，在于它指明了经典力学中的力学量概念在微观世界的适用程度，或者说，在微观世界中使用经典粒子的概念有一个限度。这个限度用普朗克常数h表征，当h0时，量子力学将回归到经典力学，或者说量子效应可以忽略。测不准关系常定性地估计体系的主要特征，而不需要事先知道波函数的具体形式。）,回目录,蝇霄无铡箕寞括余伊颅慧赌缕豺班策起搜弦惺尊皿篡褒施霞扼懈制侣铅鬃通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光子学说（测不准原理/续）,如将 考虑在内，则测不准关系式为：反过来说，在 范围内的光子状态是不能精确确定的，称为相体积（或相格），即光子所能被

13、分辨的最小尺度。所以光子的状态对应的不是一点，而是一个相格，占有六维空间的体积，相应的坐标空间的体积为：,回目录,诊侵烂永拧蹬导猴卡各予尼鄙颇彩痒贼蘸鄙羌肥彤蜕催帝盅咬滩锦劈醒韩通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光子学说（简并度）,一个相格代表一种光子的量子态，但光子与电子不同，可以有多个光子处于同一种量子态，这种现象叫做简并，处于同一量子态的平均光子数目称为光源的光子简并度。,回目录,抖酶尽宵闽趟奥仲荐故每诧剁窄于绵奋淄阵辑瑶谤胶饵怔术喉娠掇迟策臭通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光子学说（简并度）,显然，频率较低时，较高，v增大后，逐渐降低，例如：对于 的可见光，当

14、T300k时，即一般情况下（常温），光频段光子的简并度是很低的。但使用特别的方法，有可能在光频段获得极高的简并度，形成一种新的光源，这就是后面要介绍的受激辐射现象。这种新光源发出的光，单色亮度高，大量光子处于相同的量子状态，有确定的运动方向、频率和偏振，称之为相干光，也就是激光，比起通常情况下存在的非相干光有许多优越性。本课程实际就是讲解激光产生的机理、产生装置、传输特性、调制特性，检测原理及应用等。,回目录,隶好刻噬谦任辑悯躯辐肇烂爱交袖舶原慕办峭环及腐牛侗蔼掳诊肾径茨审通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1-2 物质的微观结构与能量状态,关于“原子的微观结构”，“能量状态的表示方

15、法”、“分子结构及能量状态”等，已在化学、普通物理等课程中学过，本课堂只简单地讲解一下“固体的能带”和“微观粒子的统计分布规律”，因为这两部分与课程后面的内容联系较多。,回目录,彼潜瘸躁惧赦环恶瓤窜他替粪湿撩决壬寸屏利悍湾母破脱入湖法宛柞澎健通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1.2.1电子微观状态的描述量子数,（1）主量子数n（2）副量子数l（3）自旋量子数s 其值常取1/2（4）内量子数j,回目录,炬绸登缓辕咎裹给春诀握哨工板教撂愉娟躲豪估耀射验颧押律喉惩醛空蕴通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1.2.2能量状态表示方法,一般原则：对每一个电子，都可以用量子数表示其微

16、观状态；主量子数，用1，2，3，分别表示壳层的序号；副量子数，用s，p，d，f，g，h等分别表示l0，1，2，3，4，5各个状态；表示总动量矩的内量子数用l1/2和l1/2表示。电子填充能量状态的两个基本规律：a.泡里不相容原理 b.能量最低原理,回目录,挑蒲仁吻注巳擞忠贩椿砂疤略酸巢锗榔胯道恫磺菏惋凑抹盈凛颜耀抱通柬通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1.2.3 固体的能带,（1）能带理论的形成（2）能带理论简述（3）半导体,回目录,场凹档框厨状幼誊廉贰魂归骑婴哗恋乘炬蓄兰蹋惭授始壳少泳偶畏叹搅渠通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1.2.4 微观粒子的统计分布规律,（1

17、）麦克斯韦速度分布率 适用范围：理想气体即热平衡状态下，气体分子间的相互作用可忽略。分布在任一速率区间内的分子的比率为：速率分布函数为：,回目录,瞄邓更汹王脊啼代坟审嘛缄鸳肿穿致搂斌么橙洽隐昂铅佃垫题泡铝女胺妮通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1.2.4 微观粒子的统计分布 规律（续）,（2）波尔兹曼分布律 波尔兹曼分布律是表示微观粒子按能量分布的规律（3）费密分布律 适用范围：服从泡里不相容原理的粒子（电子，质子，中子等）,回目录,怔休朔曼亩皇挚陷闽晾值淑排廉戍烂亩拨馒旷话雇廓谁启嫂习虽互醇锌颊通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1.2.4 微观粒子的统计分布 规律（续

18、）,（4）玻色分布律 适用范围：不满足泡里不相容原理的粒子（光子、介子等）,回目录,绪枣轰墩耪彪妆绞碳脐季橇帕紊雪滁裔市而茵台贫吊瞳踢切窝合阶各宙退通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1-3 热辐射的一般概念,3.1 热辐射现象,回目录,娄战念宏铃驳瘟杠绒摊淖噶涟顿铁育将围质囚漓常陇威咀冀弊蒸沿衣蔬参通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,回目录,穴逸钳拾差吴贸优腊巩韶珠扼鼓贫瑰唾纺订来辕复懈枯涛障瘤迅椽免栈丘通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,辐射亮度,辐射强度,辐射出射度,辐射通量,辐射能量密度,3.2 描述辐射场的物理量,洽挣靶咐停刮剧征秘狮绘拣矽骇蠕慧颇褥幌纱

19、嘿推拭幽吨噶妊岂太掸汞停通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,单色辐射强度,单色辐射出射度,单色辐射能量密度,单色辐射能量,辐射照度,乌政诞叁痔嗅遵杜掺预涅挨需巢菊肢忆骚留埂值慨舔翌甄奥光捻酋赌采善通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,3.3 光度量定义:光度学涉及的是电磁辐射中能引起视觉响应的那部分辐射场，所以光度学量是辐射度量学量的特例，在研究方法和概念上基本相同，并且光度学量与辐射度量学量是一一对应的，但是光度学指出，辐射度量学量的度量是电磁辐射场的能量，而光度学量的度量是光场产生的视觉响应。,回目录,你谢邯直甚臣企晋怨黑瀑冶凤掠恬找驱绳敝骑项塘榷轰拼渺罚氧演橙缮码通信光

20、电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1977年国际计量委员会决定选择光通量的单位作为光度标准，光通量相当于辐射度量学中的辐射通量（功率），单位是流明。其定义如下：波长为555nm的单色辐射功率为0.0015瓦的光通量为一流明（lm），之所以选择555nm的波长，是因为人眼视觉在这个波长上最敏感。,回目录,终酥估岳巳绣右泣畦中慨街垫肚卯该诀骏赔枚籍磋斧熬搏殷蛮理腑料沸言通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,度量单位及其定义 光强度/cd 光通量/lm 光照度/lx 光亮度/cd/m2 辐射度量与光度量之间的关系,回目录,柑军笛馏烘阜必荆宛矫豢陨米亚湖搽徽沛韦墩它蠕捅诬纹卫锻刽器谜耍群

21、通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,光谱光视效能：同一波长下所测出的光通量与辐射通量之比为：光谱光视效率：某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能之比为：光视效能：辐射体发出的所有波长产生的光通量与辐射通量之比为：,回目录,饲胀臂衡岁丝滩司写神瑰阮歼凤期逸纠笨辜黔掸势削赌拱瓮跨柄犀赌辽掸通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,3.4 基尔霍夫定律 一个物体的辐射出射度与其光谱吸收之比之间存在一定的关系，其比值是一个与物体性质无关的常量，仅由物体的温度、波长决定。（卫星温控元件OSR的工作原理即是此式）,回目录,豫峙得逞妊贪捕迸捻绕遗嘿花努荡算载面珠跪撤殷斌诱抽榆宴秆下处邀壳通信

22、光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1-4 黑体辐射,4.1 绝对黑体的涵义：在任何温度下都能把照到其上的任何频率的辐射完全吸收的物体称为绝对黑体。实际物体都不可能称为绝对黑体，但空腔辐射具有绝对黑体的特征。普通恒量绝对黑体的辐射出射度4.2 黑体辐射的实验定律：1、斯忒藩波尔兹曼定律 2、维恩位移定律 3、绝对黑体辐射出射度分布曲线的峰值定律4.3 黑体辐射规律的经典物理公式和量子物理公式,回目录,孝刮徒铃擎稼排乔伏甭溅颖军仲时艾沂并汕嘘疆博邻啄镶因眨宠郸撮斤财通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,维恩公式：维恩根据热力学原理证明黑体辐射谱必有以上形式，根据公式绘出的曲线与实验

23、曲线在高频段符合较好，在低频段产生偏离。瑞利金斯公式：根据经典电磁波理论，瑞利得出该式。根据该公式绘出的曲线与实际曲线在长波段符合较好，短波段误差好大。普朗克公式：普朗克假设，黑体辐射出的能量不是连续的，而是一份一份的，终于正确地得出了黑体辐射的能量密度公式。,经典与近代物理公式,回目录,坛惟秸想倒氨半丸滓悬集奉炯又互列侈痉阴驳鸳踢磅卫剂想蔼持左踏舜锚通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1-5 物质原子的三种跃迁过程,5.1 跃迁 在原子能级系统中，微观粒子从一种能量状态变到另一个能量状态的过程被称为做跃迁，分为两类：（1）无辐射跃迁：跃迁过程中没有吸收和发生光子，碰撞或热量传递等状

24、态改变形式即属于此类；（2）辐射跃迁：跃迁过程中发生光的吸收和发射（分为自发辐射、受激吸收、受激辐射）。,回目录,蜒绰料冤馁卜烈刑旁郭狠谬旗锅盯配芹严衅灶菱蝗瘪低垂沫终巡矮宪糊晕通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,5.2 自发辐射,1定义 若原子处在高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级E1跃迁，并发射出一个能量为 的光子。2描述参数 自发辐射跃迁几率A21,（1）,回目录,擦熟司十缮闹鲸这书婿那微限冕然铺戊锯防想让靡埠样丢滞盯州禽埃腰怕通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,3物理意义 单位时间内，E2能级上n2个粒子数中发生自发跃迁的粒子数dn2与n2的比值

25、；每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。,回目录,窑险谭美祝集远中延男缉艰唁凑艰周循盛煤锅溶铆添土搜附陇辫停烃殆岸通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,（2）,（3）,4衰减规律,显然，自发跃迁过程使得高能级上的原子以指数规律衰减；,称为离子在E2能级上的平均寿命。,为t=0时刻 能级上的粒子数。,每一个粒子在跃迁时发出一个光子，自发辐射功率定义为：,（4）,回目录,尺缄迄霸甲脏缺雹族译妻峨橱凰品修裙堡铭湘棉罪得吨走傲捕噬靡溯手爪通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,，表示t=0时刻的辐射功率。式（4）表明，自发辐射强度在外界激励停止后，是以指数规律衰减的。5

26、特点 自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激励无关的过程，即A21只由原子本身性质决定；高能级上的原子数及自发辐射功率是指数规律衰减的；发出的光是荧光，而非激光；自发辐射相位是随机的，大量原子的自发辐射不相干，无法产生激光。,回目录,胃怖础钮篆货驶输毋埋固桥芹披函谗束呆柬咙尔绝砧蔚引愈抄鸭枢托轮项通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,5.3 受激吸收,1定义 当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为 的电磁波（即有能量恰为 的光子），使在低能级上的粒子受到光子激发，可以跃迁到高能级 上去，这个过程称为受激吸收。,回目录,材瑰堕历合嘶侈嘛铱澈滑幸搭管铲馁对以膜勃区速猎浮个森靡

27、霹其衫砰涌通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,2描述参数：爱因斯坦受激吸收系数：原子能级系统的特征参数，每两个能级间有一个确定的 值。单色辐射能量密度 受激吸收几率,（5）,回目录,砖丛硝碱积肆恋痴鹊蜡荒摧傍阻冷祈甭嚷赁咕阮蚁殉美扫炭句摆滞硼韵勒通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,的物理意义：单位时间内，在单色辐射能量密度 的光照下，由于受激吸收而以能级E1跃迁到能级E2上的粒子数与能级E1上总粒子数之比；每一个处于E1能级的粒子，在 的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。3特点 受激吸收过程既与原子性质有关，也与外来辐射场的 有关。,回目录,馏花孺蝶砖仆嫩响赁房岸驴健

28、窥磁廓澜阐尤汪昼焦对沉随栏缉糯傈拓颈掩通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,5.4 受激辐射,1定义 当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸收相反的过程，即物质的粒子处在高能级E2上时，若外来光的频率刚好等于 那么E2能级上的粒子将会跃迁回到能级E1上去，同时又放出一个光子束，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致（也就是说是相干的）。这个过程称为受激辐射过程。本概念为激光的产生奠定了理论基础。,回目录,耸驳骑寓约抗映峨裕耗庄峡务砒水抨渝清抿橡雅剑袒级喧丝犹梢淑裸积疥通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,2描述参数：爱因斯坦受激辐射系数：原子能级系统的特

29、征参数，每两个能级间有一个确定的 值。单色辐射能量密度 受激发射几率,（6）,回目录,钨颈壬讥股曝谚韧瓶存麓由肠叉括起苍猾原饶绍惩预缩谍尔邑加贴舱咀莎通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,的物理意义：单位时间内，在单色辐射能量密度 的光照下，由于受激辐射而以高能级E2跃迁到能级E1上的粒子数与能级E2上总粒子数之比。每一个处于能级E2的粒子，在 的光照下，在单位时间内发生受激发射的几率。3特点 既与原子性质有关，也与外来辐射场有关，产生的光为激光。,回目录,意呕孟迫体筹登摩景侨遮资规奎播唉左鹊那垒梨弓梦谰立烦状垢抬叉簇具通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,5.5 A21、B1

30、2和B21的关系,A21爱因斯坦自发辐射系数，自发跃迁几率B12爱因斯坦受激吸收系数，受激吸收几率B21爱因斯坦受激辐射系数，受激辐射几率,回目录,踏殉霞弃旺撞攫宙建钮秧抽堂檬踞棚恐浪傻沫路垄袱域尘愧本絮支蒙汐去通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1玻耳兹曼分布 玻耳兹曼分布取决于温度T，在T=0K，所有粒子子分布在最低能级（基态），一旦温度升高，较高能级粒子数增加。在平衡条件下，低能级的粒子数总是比高能级上的多，只有在非平衡条件下，高能级的粒子数才可以多于低能级的粒子数。这种状况，成为粒子数反转，这是激光器工作的基础。,（7）,（8）,回目录,腊须裂倡魄琴睛七密饯谎惜我淖台铰汕圈供

31、磷附萝偷捧念职沃熙炬滨耙课通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,上面均假定原子只处于允许能级中之一。事实上，不同的量子态可能对应同一能量，例如，具有不同角动量的量子态，对应同一能级。这种具有同一能量的量子态数称为简并度，考虑这一点，（8）式可写成（9）式，g1、g2分别是E1、E2能级的量子态（微观状态）数，称为能级简并度。,（9）,回目录,扯助挛僚疯旋帛接鬃蝉蛋千赦宋庇漆渣葡贺粒恐座碗训啃郧孪决婶艰喧捷通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,2普朗克公式 在经典物理学对黑体辐射规律无法作出正确解释时，1900年普朗克作了一次大胆的尝试。他假设黑体辐射出的能量不是连续的，而是一份

32、一份的，他第一个提出了量子假设，从而，开创了近代物理新纪元。最终，普朗克正确得出了黑体辐射的能量密度公式：,（10）,回目录,翻勃瑞黄钉闹焚金彝秤劝谷容颐亨股噶汹替日挂股祖亭仆永异埃暂铭昨葱通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,3三者之间的关系 在温度为T的空腔中，辐射场与物质相互作用达到热平衡时，三种辐射同时存在，虽然E1、E2粒子数不断变化，但 n1(或n2)总是保持一个不变值，即有(11)和（12）式：,(11),回目录,效斤箱船矣缉侦溜燥徐硝粕奸台哼蔷厘撒留癸介每螟唱篙碑纯迢镊模哎也通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,（12）,应用（9）式和（12）式得出,（13）,

33、将（13）式与普朗克公式（10）式比较得：,（14）,（15）,回目录,帧舜芬浚屈隆婪掌速亿缮法般酪敬薪约就刽脏骸女忆霉脂角犯埔匈吠雕逝通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,（14）式这里引入了折射率符号,是考虑在介质中的传播速度=,（13）（14）（15）是与跃迁有关的几个特征参数之间的关系，它表明了三种辐射跃迁过程的内在联系。,回目录,诞抄姨峨顺沮应富府聘仪缔田受怂破警揍擅啃衷妄愈社况糊计逆笆溃幸捶通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,5.6 受激辐射与自发辐射的区别,相同点：都是从高能级向低能级跃迁并发射光子不同点：(1)自发辐射所发出的光子的频率、相位、振动方向都有一定

34、的任意性，无相干性，产生荧光；(2)受激辐射所发出的光子的频率、相位、振动方向与激发光子高度一致即相干，产生的是激光。,回目录,生哄蚕署庭豢水伍拂龟分锄筛瞬置躺料靳索唆呵构闯搀塑阳豢报揖稠贤幽通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,自发辐射光功率：受激辐射光功率：两者之比：,（16）,在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但在激光器中，情况发生很大的变化，这时已不是热平衡状态，受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。,回目录,今硬许澈孤抨斤咽奉目捻冬梁衬羊酬鸟怨简豺胖束虾停螺赛终乙惕陀蹄撩通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1-6 谱线形状和宽度,前面三种辐

35、射跃迁过程都是发生在能态E1、E2之间，跃迁频率所对应的谱线应都是单色的，事实上并非这样。,回目录,虹禾宰纯诬销抖急魔猿宫宣酌普从碉导圣盎臭偶缚霄就林稗蟹串占掠罢傅通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,为什么存在谱线加宽呢？理论解释：1、经典物理观点：跃迁所发出的电磁波不是单色波，而是分布在中心频率附近的一个小频率范围的单色波的组合，在谱图上正好表现为一定宽度。2、量子力学观点：由测不准关系，在某一时刻，粒子所处的能级也是不确定的，即能级不是单一的，跃迁的结果也就相当发出了多种不同频率的光子，形成了谱线宽度。,6.1 谱线加宽出现的原因,回目录,鸣畜苹斗帧戍晕定皑凑南宾兑翠姓饮场佯聪园

36、狸遂票顾磁涅赁恕贼蹋妒燎通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,6.2 谱线加宽的种类,1 均匀加宽 在这类加宽中，每一个发光粒子所发出的光对谱线内的任一频率都有贡献，大量的发光粒子中的每一个粒子所处的地位是相同的，每个发光原子都以整个线型发射，不能把某一特定频率和某些特定的粒子联系起来。它包括:(1)自然加宽：粒子的自发辐射发光过程中的谱线加宽，用 表示(2)碰撞加宽：无规则运动状态的分子由于相互之间的“碰撞”而引起的谱线加宽。,回目录,碘阴士忠尔剁卸烬晦热摈氖硷盏硝做胶鼠祭想例衔您丰其脱选镜非穷跨凸通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,2 非均匀加宽：每一个发光粒子所发的光只

37、对谱线内某些确定的频率才有贡献，这种加宽称为非均匀加宽，多普勒线宽就属于此。3 综合加宽：实际含多种加宽.,回目录,植恳铺墅异哎丹章筛师锻戳允琐忘肋挂木凄穿查嗓捉抄梅翻翅诚播森舞隔通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,6.3 线型函数概念,（1）定义：表示总辐射功率为I的光谱中，落在 内的辐射功率I()与总功率之比值随频率的分布情况；（2）表达式：（3）归一化特点：,(17),（18）,回目录,懒雄袍宣抵芭雪阶菊料虾普愧剐饼浇畦赊乃瑞恋耙算数胎纬间抄细沸拷辕通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,（4）谱线宽度定义：从最大值（在中心频率 处)下降到一半时，即 所对应的频率范围,回

38、目录,广学骡馋重仓亥愉竟晓弓纂市夜邯庐火畸屹拧嘴烘室义就冬镊斋汀历徐绅通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,6.4 自然加宽的 及,通过推导可得：这样的函数称为洛仑兹函数，它的形状如书中的图1-6-2所示，对 是对称的。当 时，有极大值，当 及 时，,（19）,其中,回目录,戴喝西宴碗澳臃懂僧雨绽赡员跪纷凡钙如故痔汕裤栽瓜押监则躁货米它漂通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,（20）,故,显然，衰减 越小，则谱线宽度 越窄，所辐射出的光就越纯。,（21）,回目录,软段扇映渡队狰履真摈盒涣妙铝峙芜逊椽跨仪揩耐堂崖连声蛰萤棚阻衷龟通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,6.5

39、 谱线加宽对三种辐射跃迁的影响,（1）自发辐射：有了谱线加宽的概念后，高能级上粒子数随着时间变化的规律可表示成：表示总自发跃迁几率A21中属于频率 处的单位频率内的自发跃迁几率。显然，谱线加宽对自发辐射无影响。,（22）,回目录,饰算辛撞榆暖阻涩转语物统劲圃桅嘛忆械爽弄凳步冲冲夫叙汕鳖蜗眷鲜另通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,（2）受激辐射 根据（14）式，则 相应的受激辐射跃迁几率 那么，在考虑谱线加宽之后，受激跃迁引起的高能级粒子数的变化率为：,（23）,（24）,（25）,回目录,枫缓着硫旗叹稳窜燥锦嘿诽塔虏捂坚案蹬令坞励火啼怖夸御秤谱念驱展筹通信光电子学概述第一章通信光电子

40、学概述第一章,（26）,显然，由于谱线加宽的影响，,不再简单等于,回目录,茫家讳藩痴每搅嘻窄夕夷峭苏亿归野咽踞烙边年矣卜贡槽表陇转令焰易铱通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1-7 均匀加宽和非均匀加宽,谱线加宽的种类：（1）均匀加宽（2）非均匀加宽：（3）综合加宽：,回目录,叹敏拽徘超浓磨朗坚炮亭穗赂关私轩杂焰蚊贰耻屠孽桥榔帘惫沁肉厘喧剃通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1、定义:2、种类：（1）自然加宽：粒子的自发辐射发光过程中的谱线加宽，用 表示;（2）碰撞加宽：无规则运动状态的分子由于相互之间的“碰撞”而引起的谱线加宽。3、表达式：,7.1 均匀加宽,回目录,钾洱

41、膏所糜弄悸徽蜀芳臆赞瞻处仗番赠镑唾舵滔讼拖竟礼阐仙脏市宝欺注通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,1、定义:2、种类：多普勒线宽等。多普勒效应：假设一个发光原子的中心频率为，当原子相对接收器静止时，接收器收到的频率也为。但是当原子相对接收器有一个相对速度 时，接收器接收到的频率不再是，而是：,7.2 非均匀加宽,回目录,厩访矫笑耸敲杖账旭施康轿傲苟偏订泥稻箭栅薄豪颜透秦恒嘱犬层峻促米通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,A、与光相互作用时，运动原子的中心频率B、多普勒线型函数就是原子数按中心频率分布函数：,7.2 非均匀加宽,具有高斯函数形式,多普勒线宽,C、主要存在气体工作物质中，固体工作物质中不存在多普勒线宽。,回目录,合液悔淀咱才闸商叁牲姨簇猖贺声陨拟猜颂贮潦狭叶伐掺凯忠挽亢讣菊洱通信光电子学概述第一章通信光电子学概述第一章,