第一章-光与物质相互作用基础

1第一章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21.1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：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫∂∂+=×∇∂∂−=×∇=•∇=•∇tDJHtBEBD0ρ⎪⎭⎪⎬⎫===EJHBEDσμε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：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫∂∂=×∇∂∂−=×∇=•∇=•∇tDHtBEBD00⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=∂∂−∇=∂∂−∇010122222222tHvHtEvE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4¾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HEμε=HESvvv×=)cos(),(0ϕβω+−=ztEtzEm[][]tjzjmztjmeeEeEtzEωϕβϕβω)()(00ReRe),(−−+−==5电磁波段的详细划分及用途波段波段/nm/nm名称名称用途用途1010--55~30~30射线射线金属探伤、研究核结构金属探伤、研究核结构1010--44~100~100XX射线射线医用、探伤、分析晶体结构医用、探伤、分析晶体结构1~3901~390紫外线紫外线医用、照相制版医用、照相制版390~770390~770可见光可见光770~10770~1066红外线红外线雷达、光纤通信、导航雷达、光纤通信、导航101066~10~1099微波微波电视、雷达、无线电导航电视、雷达、无线电导航101099~10~101010米波米波调频广播、电视、导航调频广播、电视、导航11001010~5~5××10101010短波短波无线电广播、电报通信无线电广播、电报通信55××10101010~2~2××10101111中短波中短波电报通信电报通信22××10101111~3~3××10101212中波中波无线电广播无线电广播33××10101212~3~3××10101313长波长波越洋长距离通信和导航越洋长距离通信和导航γ2.电磁波的性质一光的波动学说61.光子的基本性质二光子学说(1)hvE=(2)2cEm=kPh=(3)（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。72.光子的状态描述二光子学说3hpppzyxzyx≤ΔΔΔΔΔΔ范围内，光子的状态不能完全确定zyxppphzyxΔΔΔ=ΔΔΔ3对应坐标空间体积：空间体积V内的光子的状态数：324)(hdpVpdppGπ=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。3h：相体积或相格81.2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。91.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)。dtdQee=Φ3.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：2mWdAdEeeΦ=二描述辐射场的物理量104.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）ΩΦ=ddIee辐射强度示意图二描述辐射场的物理量115.辐射出射度Me：辐射体表面单位面积向空间发射的辐射通量。单位：W/m2dSdMeeΦ=辐射出射度示意图二描述辐射场的物理量126.辐射亮度：面辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量。单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）辐射亮度示意图θθcoscos2dAdIdAddLeee=ΩΦ=二描述辐射场的物理量13相等的辐射通量，波长不同，人眼主观亮暗感觉不同！在引起强度相等的视觉情况下，若所需的某一单色光的辐射通量越，则说明人眼对该单色光的视觉灵敏度越高。三光度量1.光谱光视效能)(λK同一波长下所测出的光通量与辐射通量之比。单位：lm/WλλλevKΦΦ=)(小14视见函数的另一描述方法：设任一波长为的光和波长为555nm的光，产生相同亮暗视觉所需的辐射通量分别为和，则其比值称为视见函数。即λλeΔΦ555eΔΦλλeeVΔΦΔΦ555)(=三光度量2.光谱光视效率（视见函数）)(λV某一波长的光谱光视效能与昀大光谱光视效能Km之比。)555(683)()()(nmmKKKV===λλλλ15光谱视见函数实验曲线例：对于600nm的光波，为使它引起和555nm光波相等的视觉亮暗程度，所需的辐射通量为555nm光波的1.6倍。日间视觉夜间视觉555nm视见函数：0.63三光度量161.光通量：表示光源表面客观辐射通量对人眼所引起的视觉强度。计算方法：等于辐射通量与光谱光视效能的乘积。单位：流明(lm)vΦ2.发光强度：光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布，可用点光源在单位立体角中发出的光通量数值度量。单位：坎德拉（cd）vI3.照度：表征受照面被照明程度，可用落在受照物体单位面积上的光通量数值表度量。单位：勒克斯(lx)vEΩΦ=ddIvvdAdEvvΦ=三光度量17三光度量18四基尔霍夫辐射定律恒量====),(),(),(),(),(2211TMTTMTTMeλλαλλαλL在同样温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度和单色吸收比的比值都相等。191.3黑体辐射一空腔热辐射二黑体辐射的实验规律1.斯忒藩－波耳兹曼定律2.维恩位移定律绝对黑体：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。)1067.5()(4284,−−−⋅⋅×==KmWTTMBeσσ)10897.2(3KmbbTm⋅×==−λ202.维恩位移定律二黑体辐射的实验规律)10897.2(3KmbbTm⋅×==−λ黑体辐射功率谱3.绝对黑体辐射出射度分布曲线的峰值定律)10301.1(),(512155,−−−−⋅⋅⋅×=′′=KmcmWCTCTMmBeμλ1-2000K；2-1800K；3-1600K；4-1400K；5-1200K；6-1000K211.维恩公式三维恩公式和瑞利—金斯公式2.瑞利－金斯公式TcBeecTMλβλαλ−=52,),(kTcTMBe4,2),(λπλ=22四普朗克公式黑体辐射的能量密度公式：118),(33−=kThvechTvwνπ单色辐射出射度：112),(52,−=−λλπλkThcBeehcTM有关黑体辐射的三个公式的比较231.4自发辐射、受激辐射和受激吸收一自发辐射无辐射跃迁：跃迁过程中没有吸收和发射光子。辐射跃迁：原子能级的变化通过吸收和发射光而实现。光的自发辐射12EEhv−==εE1E224一自发辐射自发辐射跃迁几率A21：数量级107~108/s高能级原子数衰减规律：自发辐射功率：22121n１自发⎟⎠⎞⎜⎝⎛=dtdnA)exp()exp()(2021202τtntAntn−=−=)exp()exp()()()(21021202122121tAItAnhvAtnhvAdttdnhvtI−=−===以指数规律衰减。以指数规律衰减，发射荧光。25光的受激辐射12EEhv−==εE1E2感应光子hvE1E2感应光子hv发射光子hv感应光子能量：发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，即“相干”。二受激辐射26三受激吸收光的受激吸收E1E2感应光子hv四A21,B12,B21的关系受激吸收受激辐射自发辐射⎟⎠⎞⎜⎝⎛=⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛dtdndtdndtdn122121结论：热平衡状态下虽然能级E1和E2上的粒子不断变化，但n1或n2总保持不变值。27五受激辐射和自发辐射的区别光的自发辐射奠定了产生激光的物理基础光的受激辐射281.6谱线形状与宽度一谱线加宽与线型函数谱线加宽：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一个小的频率范围的单色波的组合，在光谱仪上表现为一定的谱线宽度。谱线加宽的原因：量子力学角度的能量—时间测不准关系htE≥ΔΔ辐射的基本线宽：)()()()(121122vvhEEEEEEEΔ±=′Δ±−=Δ±−Δ±E2E1hvE2E1h(v±△v)△E2△E1谱线加宽示意图29一谱线加宽与线型函数：定义：频率为横坐标、光强为纵坐标的曲线函数。物理含义：表示辐射总功率为I0的光谱中，其中落在频率v~v+dv的辐射功率与总功率之比随频率的分布情况，可表示为线型函数)(vg0)()(IvIvg=半高全宽12vvv−=Δ线型函数30一谱线加宽与线型函数：两种线型函数的比较31二谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响1.自发辐射高能级粒子数随时间的变化规律与没有考虑谱线加宽时结果一样。2.受激跃迁（1）外辐射光场为线宽极小的准单色光)(vvΔ′Δ原子与准单色光场作用外辐射场原子线型函数32二谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响2.受激跃迁原子与连续光场作用外辐射场原子线型函数（2）外辐射光场为连续谱331.6均匀加宽与非均匀加宽一均匀加宽均匀加宽：每个发光粒子所发光对谱线内的任一频率都有贡献。大量发光粒子中的每一个粒子所处的地位相同，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粒子相联系。¾自然加宽原子存在固有的自发跃迁，导致能级寿命变短，或介质原子的热运动使能级的不确定度增大而引起的谱线加宽。线型：洛仑兹型函数。¾碰撞加宽直接或间接的碰撞改变原子的能态，造成介质中上、下能级的原子密度发生随机起伏而造成的谱线加宽。线型：洛仑兹型函数。341.6均匀加宽与非均匀加宽二非均匀加宽非均匀加宽：每个发光粒子所发的光只对谱线内某些特定的频率有贡献，宏观上可以判断谱线的某一部分是介质哪部分原子的贡献。主要因素：¾晶体存在结构缺陷¾气体分子存在热运动¾辐射介质各处的激励条件不均匀351.6均匀加宽与非均匀加宽二非均匀加宽---多普勒频移引起的非均匀加宽运动原子与光波相互作用时的多普勒频移zv感受电磁波的运动原子原子所表现出来的中心频率：光源频率为v的电磁波)1(00cvvvz±=′0vv′=运动原子与光波相互作用昀强线型：高斯型函数361.6均匀加宽与非均匀加宽二非均匀加宽---多普勒频移引起的非均匀加宽zv感受电磁波的运动原子光源频率为v的电磁波注：在多普勒加宽中，不同速度的粒子光谱频率不同，引起非均匀加宽。但对任一速度的粒子，同时具有自然加宽和碰撞加宽因素，因而这一速度粒子的发光频率要做均匀加宽。多普勒加宽总体而言是非均匀加宽，但其中包含了许多均匀加宽。非均匀加宽里的每个频率都可辐射一条均匀加宽谱线。运动原子与光波相互作用时的多普勒频移