第二讲：电磁场与物质的相互作用-853108061PPT推荐.ppt

1、,关于电磁场,变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电场和磁场总是相互联系在一起的，形成一个不可分离的统一的场,周期性变化的电场周围产生磁场，这个磁场也是周期性变化的，而且变化的频率与电场相同，这个变化的磁场又会产生同频率变化的电场,中学的课本告诉我们：,关于电磁场,任何随时间而变化的电场，都要在邻近空间激发磁场，充满变化电场的空间，同时也充满变化的磁场。二者互为因果，形成电磁场。电场与磁场并不是两个可分离的实体，而是由它们形成了一个统一的物理实体。在电场和磁场之间存在着最紧密的联系。,在电磁场内，电场可以不因为电荷而存在，而由于磁场的变化而产生，磁场也可以不是由于电流的存在而存在，而

2、是由于电场变化所产生。,电磁场可以存在于这样的空间范围内，该处即没有电荷，也没有电流，而且也没有任何物体。电场与磁场之间的联系，不仅使电磁场在没有电荷和电流时能够存在，而且使这个场能够不通过导体在空间传播。,赫兹实验（1887）,Hz 频率的单位,电磁场的空间传播,1901年无线电报穿越大西洋！,描述电磁波的物理量,频率,波长,相位,模式（空间分布）,偏振,光子学（Photonics）,电子学（Electronics）,不同频段的电磁波,光电子器件,电子器件,麦克斯韦方程组,麦克斯韦（18311879）,建立起电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，预言了电磁波的存在。指出光是电磁波的一种形式

3、。在前人成就的基础上，对整个电磁现象作了系统、全面的研究，凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力对前人和他自己的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来,麦克斯韦方程组,麦克斯韦方程组,E:电场 D:电位移矢量 H:磁场 B:磁感应强度,麦克斯韦（18311879）,电子信息科学的知识体系,电磁场理论,1900年普朗克（Max Planck）提出的辐射能量量子概念,电磁场的量子理论,普朗克在对黑体辐射实验进行理论解释的时候发现,必需大胆地假设:黑体辐射的能量是不连续的,存在一个最小能量单元,这就是量子。亦称为能量子,电磁场的量子理论,基元动量：,基元能量：,具有能量 E

4、和动量 p 的实物粒子,量子理论-态叠加原理,处于本征态的叠加,存在一系列本征态,测量时会坍塌到某一个本征态,薛定谔的猫,半死不活？不死不活？既死又活？,不是发现，而是决定猫的死活！,电子信息科学的知识体系,量子物理,物质,物质有三种不同的聚集态：,固态、液态、气态,纳结构材料,晶体内的原子（或分子）排列是严格有序的,晶体特征：规则的几何外形，固定的熔点，晶面角守恒，物理性质的各向异性,晶体的特性,物质的微观世界,晶格周期势场中的电子状态,特点：电子穿透到其他原子,不再束缚于一个原子,周期势场,“准自由”电子,晶体材料的能带结构,E（能量）,k（动量）,动量：,能量：,晶体材料的能带结构,各能

5、带内包含的能级数正好等于晶格原胞数 N,当N很大时,相应的能级很密集并成为准连续状态,称作能带,导体、半导体、绝缘体,能带论:满带电子不导电,部分填充带可导电,纳米材料,（nano science and technology,Nano ST）,纳米材料与结构,碳纳米管,20nm,ZnO量子点,25nm,纳米线,Nature Photonic Crystals,光 子 晶 体,由介电常数不同的介质材料在空间周期性排列而构成,变化周期为波长量级,光子晶体的光带结构图,波数 k,频率w,w=ck/n,普通介质中w k 的线性关系,量子阱材料的能带结构,体材料,k,E,电子信息科学的知识体系,固体物

6、理,电磁场与物质的相互作用,感应电偶极子,E（r,t）,产生感应电偶极子的场就是 电偶极子所产生的场,-自 洽 场-,电磁场与物质的相互作用,感应电偶极子,E（r,t）,非共振作用：电子没有发生跃迁，没有辐射和吸收,共振作用：电子发生跃迁，发生了辐射和吸收,Einstein 跃迁理论,二能级原子,E2,自发跃迁 自发辐射,受激跃迁受激吸收,E1,受激辐射,辐射与吸收,各种器件的物理基础,电磁场,电子没有发生跃迁，没有辐射和吸收,-非共振作用-,E2,E1,huE2-E1,感应电偶极子,不同材料产生的感应电偶极子不同,电磁场与物质的相互作用,-非共振作用-,反 射 与 折 射,界面,光导纤维工作

7、原理,光线轨迹在媒质中振荡光纤可以导光,适当截取一段这种媒质可以构成一个透镜,平方折射率波导导光示意图,波导模式的耦合,波导模式的耦合,电磁场与物质的相互作用,-非共振作用-,匹配传输线,电磁场与物质的相互作用,-非共振作用-,开路传输线,电磁场与物质的相互作用,-非共振作用-,偶极子天线,天线：完成信号源阻抗（50）到自由空间波阻抗（377）的阻抗匹配,电子信息科学的知识体系,微波工程与 光波工程,各种器件的物理基础,电磁场,电子发生跃迁，有辐射和吸收,Einstein 跃迁理论,二能级原子,E2,自发跃迁 自发辐射,受激跃迁受激吸收,E1,受激辐射,辐射与吸收,电磁场与物质的相互作用,-共

8、振作用-,伴随着电子的跃迁 场发生变化,两个过程的竞争,受激辐射,受激跃迁受激吸收,受激辐射,电磁场与物质的相互作用,-共振作用-,激射！,Optical Pumping,Towns 发明了氨分子微波量子振荡器（MASER）1964年获得诺贝尔物理学奖.,1960：美国休斯公司实验室西奥多.哈罗德.梅曼（T.H.Maiman）世界上第一台红宝石固态激光器诞生,1960年5月的某一天.梅曼和往常一样来到实验室.他打开了泵浦源的开关,让脉冲氙灯的电能馈入红宝石中,此时,这台装置中发射出了第一束闪光.梅曼平静地写下了实验记录:红色,波长694.3纳米.这束光,色单纯,所有的波都在同一个方向上;发射到

9、几千英里以外也不会因发散而失去作用;聚焦到某一点上可以达到极大的能量,甚至可以超过太阳表面的温度值.这束光,就是激光;梅曼做成这个“受激辐射光放大器”就是世界上第一台激光器.,1960：美国休斯公司实验室西奥多.哈罗德.梅曼（T.H.Maiman）世界上第一台红宝石固态激光器诞生,第一台可以工作的激光器（laser）的建造者西奥多梅曼（Theodore Maiman）在5月5日去世了，享年79岁。1960年，Maiman实现了突破，他用一盏闪光灯照射一条指尖大小的红宝石棒，使其发射出脉冲相干光（coherent light）。至此，他超越了其他物理学家，其中包括汤斯（Charles Towne

10、s）他刚刚发明了微波激射器（maser），类似于微波段的激光器。然而，后来因激光器的发明而获得诺贝尔奖的却是汤斯，Maiman被忽视了，他得为他的发明争取承认权。,电子信息科学的知识体系,激光原理,电磁场理论与电路理论,电磁场理论和电路理论是统一、不可分割的,电磁场理论强调普遍性，在电路尺寸远小于工作 波长时即准静态情况下，电路理论是可以由 麦克斯韦方程组导出的近似理论,安培（17751836）,麦克斯韦（18311879）,电磁场理论与电路理论,电磁场理论和电路理论是统一、不可分割的,电磁场理论强调普遍性，在电路尺寸远小于工作 波长时即准静态情况下，电路理论是可以由 麦克斯韦方程组导出的近似理论,在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流,E,导体,电磁场理论与电路理论,电子信息科学的知识体系,