光电子学基础知识(1)..

麦克斯韦方程组及其物理意义
——高斯定理
• 高斯定理：
斯托克斯定律
• 斯托克斯定律：
AdV A dS
Hale Waihona Puke BaiduV S
A d l A d S
l S


麦克斯韦方程组的微分形式
D 0 B E t B 0 D H j0 t
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v
c
c 和v n
n
麦克斯韦 关系式
而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
第二章 激光与半导体光源
平面电磁波的性质
电磁波是横波，电矢量E、磁矢量H和传播方 向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直。
E和H幅度成比例、复角相等
0 E0 0 H 0
E H
电磁波的传播速度
v C

k
1
1
0 0
3 108 m / s
介质中 真空中
0 0
为什么说光波是电磁波?
玻尔假说及玻尔频率条件 粒子数正常分布 三种跃迁过程能级的寿命 爱因斯坦公式及其系数之间的关系 粒子数反转和光放大 激光器的结构及各部分的功能 为什么四能级系统比三能级系统效率高 阈值条件 形成激光的条件 纵模和横模 几种典型的激光器
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
按这个正则分布规律：
N 2 exp( E2 / kT ) N1 exp( E1 / kT ) exp[( E2 E1 ) / kT ] 1
在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能 级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。
玻尔假说：
1）原子存在某些定态，在这些 定态中不发出也不吸收电磁辐 射能。原子定态的能量只能采 取某些分立的值E1、 E2 、…… 、En ，而不能采取 其它值。 2）只有当原子从一个定态跃迁 到另一个定态时，才发出和吸 收电磁辐射。
E1 E2
E3
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
• 玻尔频率条件：
光电子学基 础知识
前言——光电子技术定义
光电子技术是光学技术与电子技 术结合的产物，是电子技术在光频波 段的延续与发展。是研究光（特别是 相干光）的产生、传输、控制和探测 的科学技术。
未来是光通信的世界。
前言——本课程的结构和内容安排
出发点： 一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传 播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。


• 界面两侧电场的切向分量连续
• 界面两侧磁场的切向分量发生了跃变 • 界面两侧电场的法向分量发生了跃变
• 界面两侧磁场的法向分量连续
边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的 制约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往 往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体 应用对于解决实际问题十分重要。
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
1.15
麦克斯韦方程组的物理意义
(Ⅰ)式：电位移矢量或电感应强度Ｄ的散度 等于电荷密度 0，即电 场为有源场。 (Ⅲ)式：磁感强度Ｂ的散度为零，即磁场为 无源场。 (Ⅱ)式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。 (Ⅳ)式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。
第一章
第二章 第三章 第四章 第五章
电磁波与光波（理论基础） 激光与半导体光源 光波的传输 光波的调制 光波的探测与解调
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
麦克斯韦方程组的积分形式 高斯定理 斯托克斯定律 麦克斯韦方程组的微分形式 边界条件 电磁波的性质 电磁波谱
基态：能级 中能量最低
E1 E2
E3
激发态
激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
波尔兹曼分布律：
若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数 目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系
的热平衡绝对温度；Nn为在能级En上的粒子数则
Nn exp(En / kT )
(2.2)
即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少， 式中k为波尔兹曼常数。
三种跃迁过程(自发辐射)
E2
h
E1
若原子处于高能级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，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描 述这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位 时间内，E2能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如 果E2能级下只有E1能级，则在dt时间内，由高能级E2自发辐射到低 能级E1的粒子数记作dN21：
电场与磁场的激发
D t
B t
不符合右手法则（为负）
符合右手法则
电磁波的传播
电场
电场
磁场
电场
电场
磁场
磁场 波源
磁场
磁场
边界条件
n n n n

E2 E1 0 H 2 H1 D2 D1 B2 B1 0
h En Em En Em 或 h
式中h为普郎克常数：
h 6.621034 J s
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级 原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c
1
0 0
3.1074108 m s
当时通过实验测得的真空中的光速也为
3 108 m s
c
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为 v
（对于非铁磁质）
v
c


根据光学中折射率的定义，则
c c n v v n
为什么说光波是电磁波?
麦克斯韦方程组及其物理意义
——麦克斯韦方程组的积分形式

D d s q0
B E d l t d s
B d s 0
D H d l I 0 t d s
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ