1、第一章 光的本性,光的波粒二像性麦克斯韦方程组光的干涉、衍射、偏振光的相干性光的光谱特性光的能量,历史上的原因，先对电磁辐射中的可见光的光通量、光强、亮度、照度等进行研究，描述人眼对光的敏感程度。,三、光能量的量度单位,光度学量受主观视觉的限制，不是客观的物理量,在光电子学及其应用中，应采用不受人们主观视觉限制、建立在物理测量基础上的辐射度量学量。光度学量可视为辐射度量学量的特例。,（一）基本辐射量,辐射功率又叫辐射通量，它是发射、传输或接收辐射能量的时间变化率。其定义,Q / t,由于辐射能量是波长、面积、立体角等因素的函数，用偏微商,单位是瓦式中Q是辐射能量。,2辐射通量密度,(辐射通量密
2、度) 是描写面源辐射特性的量，是源的单位面积向半球空间发射的辐射功率,P / A,源面积发射不一定均匀，面上各点附近单位面积发射的功率也不一样，故M 通常是源上位置的函数。,式中A是辐射源面积。单位是瓦米2,P是辐射通量,3辐射强度I,描写点源辐射的功率在空间不同方向上的分布,点源不是辐射源真实的物理尺寸大小距地球遥远的星星，相对地面上的观察者所张的角度，可以看成一个点,观测距离比源本身的最大尺寸大10倍以上，观测装置是不带光学系统的简单探测器，可视为点源。,如采用光学系统，由探测器的尺寸和辐射源在探测器表面上的成象尺寸决定，若象比探测器小，则可将辐射源视为点源。,辐射强度是点源在单位立体角内
3、发射的辐射功率，它是辐射功率在某个方向上角密度的量度,P / ,单位是瓦球面度。式中是点源所张的立体角。,描述扩展源辐射功率在空间和源表面上的分布情况而引入的量。,4辐射亮度,扩展源是指尺寸很大的辐射源。,实际上同一个辐射源既可以看作点源，又可以看作扩展源。,喷气式飞机的尾喷口，在1公里以上观察时可以看作一个点源，而在三米内观察时为一扩展源。,当采用光学系统观测时，光辐射源的象比探测器大或者说辐射源充满光学系统的视场则该辐射源叫做扩展源。,扩展源在某个方向上的辐射亮度是它在该方向上的单位表观面积向单位立体角内发射的辐射功率。,在扩展源表面上某点附近的一个小面积元dA向半球空间 (2球面度)发射
4、的辐射功率为dP，该面积元向与面积元法线夹角为的方向上发射辐射时，,在方向上看到面积元dA的表观面积为dAcos，dA向方向 d立体角内发射的辐射功率被看作是由源的表观面积元dAcos发出的辐射功率，表示为,2P / A cos,单位是瓦米2球面度,5辐照度E,以上都是描述辐射源发射特性的量。受照表面接收辐射功率引入辐射照度,假设辐射源投射到被照表面某点附近小面积dA上的辐射功率为dP，则被照表面该点的辐照度E为,P / A,其意义表示投射被照面上单位面积上的辐射功率，虽然它与辐出度的单位相同，但两者的物理意义不同。,单位为瓦米2,辐出度和辐照度区别,辐出度是源向整个半球空间发射的辐射功率。,
5、辐照度是入射到被照表面上的辐射功率密度，(一个或几个源的辐射功率。),辐照度E 除与被照面上的位置有关外，还与辐射源的特性及被照明面与源的相对位置有关。,上面辐射量只考虑了辐射功率的空间分布特性。,任何一个辐射源发出的辐射或投射到一个表面上的辐射功率。都有定的频率分布特征(即光谱特征)，,由光谱辐射功率的意义。在波长为到+d的波长间隔内的辐射功率为,dPPd,若d足够小，式中dP可称为波长为的单色辐射功率，用dP表示。在有限波长范围其定义为,12Pd 如果1=0，2= 称为全辐射功率。,(二) 基本光度学量,光度学涉及能引起视觉响应的那部分辐射场。,在研究方法上和概念上基本相同。,辐射度量学量
6、度的是电磁辐射场的能量，而光度学量是光场产生的视觉响应。,光通量相应于辐射度量学中的辐射通量 单位是流明。,选择555nm的波长，人眼白昼视觉在这个波长上最灵敏。,其定义如下：定义波长为555nm的单色辐射功率为00015瓦的光通量为一流明。,光通量用P，由它出发，按与辐射度量学同样定义方法，可定义出光度学中的其它量，如,光出射度M,光强度I,光亮度L光照度E,光出射度M： P / A 流明米2(勒克司),光强度I： P / 流明球面度(坎德拉),光亮度L： 2P / A cos 流明/米2球面度(尼特),光照度E： P / A 流明米2(勒克司),在这里，我们选用的符号与辐射量相同，只是在右
7、下方加了一个脚标。,相应的定义式和单位分别为,几种辐射源产生的照度,几种辐射源的亮度,基本辐射量与光度学量对照表,实验证明 辐射功率相同但波长不同的光所引起的视觉响应(眼睛感到的明亮程度)是不相同的。,在可见光谱中，人眼对光谱中部(黄绿色)最敏感。愈靠近光谱两端，愈不敏感。,人眼对不同波长的单色光，产生相同的视觉响应，要有不同的辐射功率。,在引起相同的视觉响应条件下，若在附近所需要的光谱辐射功率为dP，而对=555nm所需要的光谱辐射功率为dP555，则定义,V=dP555/dP,为波长的视见函数(相对光谱视见函数)。,人眼对波长为555nm的光的视见函数为1，其它波长的视见函数值都小于1，不
8、可见区的视见函数值都等于零。,描述可见光产生视觉响应强弱能力的物理量是光通量P，所以在波长附近，辐射功率为dP的可见光所对应的光通量为,dP673VdP,式中常数673来自前面定义的波长为555nm的单色光，其光功率为00015瓦时相当于l流明的光通量，则1瓦相当于673流明。,白昼视觉指人眼在明亮环境(3坎德拉米2的亮度)中，对不同波长可见光的视觉。,白昼视觉和黄昏视觉,黄昏视觉指人眼在黑暗环境(3105坎德拉米2的亮度中，对不同波长可见光的视觉。,黄昏视觉V-曲线的最大值相对白昼视觉向短波长方向移动了50nm。,黄昏视觉,白昼视觉,解释黑体辐射光电效应等涉及到光和物质相互作用的现象,1.
9、5 光子学说,光子学说认为，光是由一群以光速c运动的光量子（简称光子）所组成。光子的基本性质如下：,（1）光子具有能量E，而这种能量与一 定的光频率相对应 Eh,光不仅具有波动的特性，同时也具有粒子的特性，,光子学说,（2）光子具有质量m，但光子静态质量mo0，,3）光子具有动量P，而这种动量与一定的光波长、一定的传播方向k相对应式中：n0为光子行进方向上的单位矢量；,光子动态质量仍与光子能量E（或光的波长）的关系为,（4）光子具有自旋，并且自旋的量子数为整数，所以光子的集合服从玻色一爱因斯坦（BoseEinstein）统计规律。,按照光的量子理论，光子是组成光辐射场的基本物质单元。,组成光辐
10、射场的大量数目的光子分别处于不同的光子统计状态，光子的运动状态简称为光子态。,光子态是 按光子所具有的不同能量（或动量数值） 光子行进的方向 以及偏振方向相互区分的。,处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子（其自旋量子数为整数1），在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡里不相容原理的限制。,电子填充能量状态的基本规律有两个：泡里不相容原理及能量最低原理。泡里不相容原理是指在一个原子系统内，不能有两个或两个以上的电子处于完全相同的量子态。,可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度，用表示。 光子集合中光子数按态的
11、分布服从玻色-爱因斯坦统计分布规律。在温度为T的平衡热辐射场中，处于频率为（或能量为h）的光子态的平均光子数，即光子简并度为,式中：T为热力学温度；h为普朗克常数，k为玻耳兹曼常数。,对于光频波段，在常温（例如T300K）下，普通热光源的光子简并度极低，约为10-20量级。,波长为的光是,光子学说可以解释光的发射、光的吸收、光电效应等与光和物质相互作用有关的现象。,质量为mh/c、能量为Eh、动量为p（h/）no的光子的集合体，光的传播实际上是光子的辐射流。,应当指出，单独用经典的波或粒子概念之一去描述光，都不足以解释光的全部现象，必须说光具有“波粒二象性”光不仅具有波动性，而且具有粒子性。,
12、把光的双重性质波动性和粒子性联系起来,式 Eh 和,频率和波长是描述波动性,而能量E和动量P则是描述粒子性,波动性和粒子性是光的客观属性，两者总是同时存在的。,令平行光沿z方向通过均匀介质传播，设在z处光强为I(z)，z+dz处光强减少到I(z)dI(z)，则吸收系数为 （1）,第二章光与物质相互作用气体中光的吸收和发射,吸收系数描述气体或介质中光强经过单位距离后的衰减率。,真空对任何波长的电磁波是完全透明的。,由上式可得 I(z)I0eaz （2）,式中I0为z0处的入射光强。吸收系数是波长的函数。,若值很小的介质对入射光几乎是透明的。值愈大，光波被吸收得愈强烈。,波长从15m有7个“窗口”
13、 波长处于814m的透明波段是最重要的大气窗口。,卫星通信和导弹的跟踪、识别、制导,地球大气对可见光、紫外光是透明的，但对红外光的某些波段有吸收，而另一些波段比较透明。透明的波段，称“大气窗口”。,光发射时分两个步骤： 激活系统在吸收光子后跃迁到高的能态；,激活系统回复到较低能态而发射出光子。,称为激发， 称为发射。 气体的激发除了用光量子激光，射线或X射线激发外，常采用直流放电、高频放电和微波放电的方法。,在气体放电中，是运动电子与基态原子之间的非弹性碰撞。 如一个电子的动能等于或大于气体原子的某一激发态的位能，则在该电子和原子之间就可能发生非弹性碰撞，结果原子跃迁到一个激发态，而电子失去的
14、动能等于原子激发态的位能,称为“第一类碰撞” 。,逆过程也可以发生：一个受激原子可与一个慢电子碰撞并将其位能给予电子，经碰撞的电子所增加的动能等于原子激发态的激发位能。属于第二类碰撞。,En+1,En,获得动能=En+1-En,En+1,En,“第二类碰撞” 也可以是受激原子与基态原子相碰撞从而将其位能转变为另一原子的位能。,气体中另一类激发过程是共振俘获激发。,在这种过程中，一个原子所发射的一个光量子为另一不同的原子所吸收，结果新的原子跃迁到一个激发态。,荧光:激发停止以后，所激发的光立即消失的发光，,磷光:激发停止以后，所激发的光仍旧保持一段时间的发光称为。,余辉现象:任何形式的发光都存在
15、着衰减过程,根据电磁场理论，在介质中沿z方向传播的单色平面波，与传播方向垂直的电场强度可表示为 （3）,21固体光学的基本物理常数,在一般介电物质中1。,和分别为介质的相对介电系数和相对磁导率；k为波矢；c为真空中光速。,当考虑固体中光的吸收时，通常用复介电系数*()表示：,0=885410-12F/m为真空介电系数；1()和2()分别为复相对介电系数()的实部和虚部。,*()=0() =01()i2()（4）,研究固体学时，只涉及非磁性的电中性介质 ，即=0，M=0。麦克斯韦方程组可简化为 （5） （6） （7） H=0 8）（,0=1.25710-6H/m为真空导磁系数；,电位移D=0E+
16、P；,P为极化强度；H为磁场强度；J为电流密度。,P=0()1E （9）,取式（5）的旋度和式（6）的时间导数，并消去H，可得电场E 的普遍波动方程：,求解包含源项在内的波动方程，可揭示出两种源对光传播影响的程度。,（10）,右边的两项称为源项，是由于介质内部分别存在极化电荷与传导电荷而产生的。,由基本关系式D=0()E，则有,在不导电介质中，极化项 是极其重要的，可解释吸收、色散、双折射和旋光性等光学效应。,PJ （11）将式（9）代入上式，可得J0()1E 01()1i2()(i)E i01()1E02()E (12）,虚数部分为极化电流，电流与电场相位差90，不消耗电磁场能量。,在不导电
17、的介质中，极化电荷产生的P随时间的变化反映电位移随时间的变化，则有：,.,.,实数部分具有欧姆定律形式j =E，,为电导率，02()。,单位时间电磁场消耗在电偶极子上的能量等于E 2，因此单位时间介质所吸收的能量为02()E 2。,因此，知道介质的光吸收功率就可以得到复相对介电系数虚部2()的值。由式（3）式可以看出，折射率 n= ()1/2,可得 n221() （14） 2n2() （15）,因此，可以用1()，2()，也可以用n，描述固体中光的吸收。,其中称为消光系数。,在吸收介质中，通常用复折射率n*ni来描述光学性质，其中称为消光系数, 则复折射率与复相对介电系数之间的关系为,(13)
18、,因此，固体中光的吸收系数与消光系数成正比。消光系数是光频率的函数，若某一光谱范围消光系数的值大，则固体强烈吸收该光谱范围的光。,将式（13）代入（3），由于光强正比于E 2，从式（3）可以看出，吸收系数为,2c （16）,利用经典电磁理论，我们可以将n*同由下式定义的复介电系数*联系起来,式中：是通常的介电系数；是电导率。,由式（4）和（13）知道，n*和*的关系为 （18）,式中：=/2。,当固体为绝缘材料时，电导率=0，则=0，入射光没有衰减； 当0时，折射率为复数，入射光有衰减。,比较式（4）和（17），可知（）， 2（），故由式（14）与（15）可得 （n22） （ 19） （20）
19、,这两个表达式说明电学参数、与光学系数n、的关系。,由于电子的公有化运动，与轨道对应的能级分裂为能带，即每个能级分裂成很多个非常靠近的能级，,有关半导体的基本概念 (1)电子公有化运动和能带,电子绕原子核运动，电子的运动轨道不是连续的，是一些分立的轨道层。电子的每一个轨道层都有一个对应的能级，这就是单个原子的能级。,半导体是由大量原子按一定的规律排列所组成。由于原子间的相互作用，各原子最外层的轨道互相重迭，电子就不再为个别原子所有，而是为晶体中所有的原子所共有了，电子的这种运动叫做公有化运动。,2.2 光的吸收过程,半导体材料能带结构,由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，有被电子填满的，也
20、有没被电子填满的，被电子填满的价带叫“满带”。如有电子因某种因素受激进人空带，则此空带又叫“导带”。温度较高时，由于热运动可把价带中的一些电子激发到导带，这时，在价带中就形成若干空着的能态，称为“空穴”,当有外界激发时，价带中的电子可能获得能量跃过禁带进入导带，而在价带中留下空穴。在外加电场作用下，导带中的电子和价带中空穴就会产生定向运动而形成电流。本征半导体中载流子的分布是均匀的，即导带电子数和价带空穴数相等。这种半导体由于热运动而产生的自由电子和空穴的数量很少，导电能力差。 在本征半导体内掺入微量杂质可使半导体导电能力发生显著变化，掺杂的本征半导体称为杂质半导体。,完全纯净的结构、完整的半
21、导体晶体称为本征半导体，在绝对零度和没有外界激发时，价带中完全充满电子，而导带中完全空着，这时即使加电场于该半导体也不会导电。,各类固体材料的吸收光谱其具体情况可以有很大差别。通常以一个假设的半导体吸收光谱为典型例子。,在它的低能量端，吸收系数陡然下降，称为吸收边缘。边缘界限对应于价带电子吸收光子（h=Eg）跃迁至导带的长波限,波长大于此限的光(hEg)不能引起本征吸收。,这时，价带中的空穴和导带中的电子是自由的，可以在电场的作用下进行漂移，产生光电导，吸收系数可达105106cm1。,固体光吸收主要特性: 本征吸收区对应于价带电子吸收光子后跃迁至导带的强吸收区，它处于紫外可见光与近红外区。,
22、当光波长稍长于吸收边缘界限，若晶体是理想完整的，禁带内没有杂质或缺陷能级，这时的光吸收只能把电子激发到禁带中的某些能级上。,在低温时，这些能态是比较稳定的（衰减时间约105106 s），这时的光吸收不产生光电导，受激电子与空穴是在同一原子（离子）上，这种电子空穴构成一个系统，称为激子。由于激子吸收，在这个区域常观察到光谱的精细结构。,在自由载流子吸收区中，当光波长处于2050m时，存在有入射光子和晶格振动之间的相互作用所引起的一组新的吸收峰。离子晶体吸收系数可达105cm1，同极晶体吸收系数约为10102cm1。,当光波长增加超出本征吸收边时，吸收系数缓慢上升。这是由于电子在导带中和空穴在价带中的带内跃迁引起的，称为自由载流子吸收，它处于整个红外区和微波波段，吸收系数值是载流子浓度的函数。,杂质吸收因固体材料及材料中杂质各类而异。假设杂质具有浅能级（约0.01eV，如图2所示），这种杂质吸收仅在较低温下（使kT杂质电离能，k为玻尔兹曼常数，才能被观察到。 与磁性材料有关的自旋波量子吸收和回旋共振吸收是固体物理研究范畴，这里不作讨论。,波长辐射的视见函数是怎样定义的?在整个电磁波谱范围内，视见函数不等于零的区域是哪个区域?试导出吸收系数和电导率与消光系数之间的关系。本征吸收、激子吸收？,作业,
