通信光电子学概述第一章

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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§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

2、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。回目录有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。回目录有关光

3、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（γ是频率）。于是，光的波动理论告诉我们，光是频率为γ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。回目录波动学说（续）麦克斯韦方程组：微分形式：积

4、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

5、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

6、录波动学说（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

7、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