光电子技术的进展光的本性PPT课件.ppt

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1、光存储技术的历史较短，而发展很快。光存储技术的历史较短，而发展很快。1972年，美国飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。年，美国飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。5. 5.光存储光存储1993年下半年才付诸实用的新技术，也称年下半年才付诸实用的新技术，也称CD视盘。视盘。VCD的视频压缩和解码技术是由美国人发明的，通的视频压缩和解码技术是由美国人发明的，通过压缩把一部电影的动态图像和声音压缩到过压缩把一部电影的动态图像和声音压缩到1.2G信信息容量左右的光盘中去，并通过数字解码技术把压息容量左右的光盘中去，并通过数字解码技术把压缩的电子信号重新播放出来。缩的电子信号重新播放出来。1982年，飞利浦公

2、司同日本索尼公司合作，推出了年，飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字式激光唱机。由于激光唱机（第一台数字式激光唱机。由于激光唱机（CD）进入）进入家庭和只读式光盘存储器家庭和只读式光盘存储器(CD-ROM)同个人计算机同个人计算机结合，结合，VCD(CD视盘视盘)其全称为其全称为VideoCD。DVD全称为全称为Digital Video DISK数字视频光盘机，它是数字视频光盘机，它是1994年才诞生的新机种。年才诞生的新机种。从原理上来说，从原理上来说，DVD与与VCD没有本质的不同，没有本质的不同，DVD也是对也是对电影画面进行视频压缩，将压缩的图像储存在光盘上。电影画面进行视

3、频压缩，将压缩的图像储存在光盘上。播放时播放时DVD影碟机对光盘上的数字信号进行解码，还原出影碟机对光盘上的数字信号进行解码，还原出图像在显示器上播放。一张盘只能储存图像在显示器上播放。一张盘只能储存640MK的信息；的信息； 目前光盘存储技术中目前光盘存储技术中,载有信息的载有信息的调制激光束通过物镜聚焦于光盘调制激光束通过物镜聚焦于光盘存储介质层上记录存储介质层上记录,由于物镜离介由于物镜离介质较远质较远( (毫米级毫米级) )故称为远场记录故称为远场记录而存储密度正比于而存储密度正比于 所以要提高存储的位所以要提高存储的位密度密度,就要缩短激光波长和升高物镜的数值孔径就要缩短激光波长和升

4、高物镜的数值孔径. 记录点的尺寸决定于聚焦光的衍射记录点的尺寸决定于聚焦光的衍射极限极限. 在光的衍射极限下在光的衍射极限下,光线的聚光线的聚焦直径焦直径(d)与光波长与光波长( )成正比例而成正比例而与镜头的数值孔径与镜头的数值孔径(NA)成反比成反比,即即CD(780nm，NA：0.45) DVD(650nm，NA：0.6)，Blu-ray Disc盘片盘片(405nm，NA：0.85)光盘技术要提高记录密度，可使用短光盘技术要提高记录密度，可使用短波长激光或提高物镜的数值孔径使光波长激光或提高物镜的数值孔径使光点缩小，点缩小，光盘存储密度和数据传输速率的发展趋势光盘存储密度和数据传输速率

5、的发展趋势.平板显示器技术以液晶显示器发展最快。液晶材料平板显示器技术以液晶显示器发展最快。液晶材料既具有液体的特点又具有晶体的许多特性。既具有液体的特点又具有晶体的许多特性。1964年，美国年，美国RCA公司发现液晶的多种光电效应：公司发现液晶的多种光电效应：宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了基础。显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了基础。6 6平板显示器平板显示器等离子体显示器、场致发光显示器相继问世并不断等离子体显示器、场致发光显示器相继问世并不断的发展。现在，平板显示器以形成巨大的市场。的发展。现在，

6、平板显示器以形成巨大的市场。 是研究从红外波、可见光、紫外光、是研究从红外波、可见光、紫外光、X射线直至射线直至 射线波段射线波段范围内的光波电子技术，是研究运用光子和电子的特性，范围内的光波电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的技术。技术。 信息：声音、文字、图像（动态和静态）、数据、文件 信息的收集、处理、传递和显示必须依靠载体。信息的收集、处理、传递和显示必须依靠载体。 例如，声音是以无线电波（调幅或调频）为载体实现无线电广播。 最通常的信息载体是最通常的信息载体是 ：电子、光子什么是光电

7、子技术？什么是光电子技术？ 光电子学光电子学半导半导体光体光电子电子学学 导波导波光学光学激光激光与红与红外物外物理学理学 相干相干光学光学 非线非线性光性光学学光与光与物质物质相互相互作用作用强光强光光学光学效应效应 电电光光效效应应 声声光光效效应应 磁磁光光效效应应 光电光电转换转换效应效应 发发光光效效应应 非线非线性光性光学效学效应应 介质介质导波导波效应效应 非线非线性光性光学效学效应应 光电子技术光电子技术2 2电子学和光子学的比较：电子学和光子学的比较： 电子学：电子学：ElectronicsElectronics是研究电子的运动、电子及其是研究电子的运动、电子及其应用的科学应

8、用的科学 电子学发展历程：电子学发展历程： 从爱迪生从爱迪生18831883年实验开始算起，年实验开始算起， 经经120120年发展年发展 电学电学-电子学电子学-电子技术电子技术-电子工程电子工程- - 电子电子产业产业 电子技术及其主要应用：电子技术及其主要应用： 器件：电子管、晶体管、集成电路（器件：电子管、晶体管、集成电路（ICIC）等）等 应用：电信、无线电广播、电视、计算机等应用：电信、无线电广播、电视、计算机等 光子学光子学：Photonics 是研究光子运动、光是研究光子运动、光子作用及其应用的科学。子作用及其应用的科学。 荷兰科学家荷兰科学家Poldervart 1970年提

9、出年提出Photonics并定义为：并定义为： “光子学是研究以光子为信息载体的科学光子学是研究以光子为信息载体的科学”。 钱学森：钱学森：“光子学是研究光子的产生、运光子学是研究光子的产生、运动和转化的科学。动和转化的科学。” 光子学光子学发展历程：发展历程： 从从1970年年Poldervart提出算起，也正经历：提出算起，也正经历： 光学光学 - 光子学光子学- 光子技术光子技术 - 光子工程光子工程 - 光子产业光子产业 光子光子技术及其主要应用：技术及其主要应用： 器件：有源元件：激光器、光探测器、器件：有源元件：激光器、光探测器、光放大器、光集成回路等光放大器、光集成回路等 无源元

10、件无源元件：耦合器、调制器、滤波器、：耦合器、调制器、滤波器、光波导等光波导等 应用应用：光子通信、光储存、光计算机等：光子通信、光储存、光计算机等 电子和光子性质的比较电子和光子性质的比较 3 3光子传递信息的特点：光子传递信息的特点： 对比电子： （1）极快的响应时间可用于超高速、宽带通信极快的响应时间可用于超高速、宽带通信： 光子静止质量为零、在真空中以光速运动，不受电光子静止质量为零、在真空中以光速运动，不受电路中路中RCL时间常数的限制。时间常数的限制。 光子响应时间可短达光子响应时间可短达1015秒，即秒，即fs量级，而电子器量级，而电子器件及系统最快的响应时间为件及系统最快的响应

11、时间为109秒，即秒，即ns量级，两量级，两者相差者相差100万倍。万倍。 这在将来的光计算机等关键技术中将发挥巨大作用。这在将来的光计算机等关键技术中将发挥巨大作用。1990年美年美Bell （2）传输信息容量大：传输信息容量大： 光子传输信息时具有时间可逆性、不具有高度空间光子传输信息时具有时间可逆性、不具有高度空间局域性，使它可以形成向前和向后的共轭波，以补局域性，使它可以形成向前和向后的共轭波，以补偿光纤传输中所产生的崎变和失真。利用这方法理偿光纤传输中所产生的崎变和失真。利用这方法理论上可实现无损耗通信。论上可实现无损耗通信。 目前光纤通信正从第二代目前光纤通信正从第二代1.311.

12、31微米波段零色散单模微米波段零色散单模光纤向第三代光纤向第三代1.551.55微米波段低损耗色散单模光纤作微米波段低损耗色散单模光纤作换代发展。传输容量从换代发展。传输容量从19781978年的年的10Gb/s.km 10Gb/s.km 以每年以每年1010倍速度提高，倍速度提高，19861986年达年达1Tb/s.km1Tb/s.km。理论已证明，一个光子在室温下可携带理论已证明，一个光子在室温下可携带30bit的信息量并随温度的下降而以指的信息量并随温度的下降而以指数形式增加，以至达到无限值。所以，数形式增加，以至达到无限值。所以，理论上可以讲：理论上可以讲： “光子通信有望借助一个光子

13、将无穷多光子通信有望借助一个光子将无穷多信息传输给无穷多受信者信息传输给无穷多受信者”。 （3）高抗干扰、高可靠性：高抗干扰、高可靠性： 光子不带电荷，光纤不和受外界电磁光子不带电荷，光纤不和受外界电磁波相互作用，光纤通信具有高抗干扰、波相互作用，光纤通信具有高抗干扰、高可靠性。高可靠性。 光子与光子之间不容易发生交互作用，光子与光子之间不容易发生交互作用，光束可以在光纤中交叉通过而互不影光束可以在光纤中交叉通过而互不影响，这个特性被利用来波分复用，使响，这个特性被利用来波分复用，使在一根光纤实现多波长通信，大大提在一根光纤实现多波长通信，大大提高了光纤的通信容量和利用率。高了光纤的通信容量和

14、利用率。（4）光储存具有储存量大、速度快、密）光储存具有储存量大、速度快、密度高、误码率低的优点。度高、误码率低的优点。 总之总之，超高速、抗干扰、大容量、高可，超高速、抗干扰、大容量、高可靠性是光子技术的特点靠性是光子技术的特点。其原因其原因： 1.光子技术还不成熟，光子技术还不成熟，2.电子和光子是一对具有高度互补的电子和光子是一对具有高度互补的“孪生兄孪生兄弟弟”：电子能态的改变导致光子的发射，而：电子能态的改变导致光子的发射，而光子被物质吸收将引起电子系统能态的变化光子被物质吸收将引起电子系统能态的变化产生自由的电子。产生自由的电子。 光子学和电子学的关系实际上互相依存、互光子学和电子

15、学的关系实际上互相依存、互相补充、互相促进的。相补充、互相促进的。 光子学和电子学结合在一起称为光电子光子学和电子学结合在一起称为光电子学；因它应用于信息领域所形成的主要技术、学；因它应用于信息领域所形成的主要技术、方法、工艺等统称为光电子技术。方法、工艺等统称为光电子技术。 必须指出：到目前为止完全脱离电子的全必须指出：到目前为止完全脱离电子的全光子过程、光子技术和光子产业还很少。光子过程、光子技术和光子产业还很少。 4. 4. 光电子技术的应用：光电子技术的应用： 光电子技术以光和电相结合的崭新技术进行信息的 收集、加工、发射、传输、接收、收集、加工、发射、传输、接收、提取、储存、显示和分

16、配提取、储存、显示和分配等， 在工农业、科技、军事和生活等几乎所有领域都有广泛的应用。目前光子技术在向微光子技术、光电微光子技术、光电 集成技术集成技术方向迅速发展。它们代表了信息 光子技术在微光、光纤通信、光计算、光微光、光纤通信、光计算、光 信息储存信息储存等领域的应用。 1微光子技术的发展：微光子技术的发展： 2光电集成技术的发展：光电集成技术的发展： 3光纤技术的发展：光纤技术的发展： 4光盘技术的发展：光盘技术的发展：1微光子技术的发展：微光子技术的发展： 微加工微加工 - 微工程微工程 -微电子、微机械、微光学微电子、微机械、微光学 自聚焦透镜的出现为微光学发展奠定基础自聚焦透镜的

17、出现为微光学发展奠定基础 阵列光学元件的发展开拓了微光学在信息阵列光学元件的发展开拓了微光学在信息领域的广泛应用领域的广泛应用 集成微光学器件是微光学发展的新方向集成微光学器件是微光学发展的新方向 2光电集成技术的发展：光电集成技术的发展： 微电子微电子 - IC 光电子光电子 - OEIC 微光子微光子- PIC 超晶格理论超晶格理论 能带工程能带工程 量子效应光电器件量子效应光电器件 光电器件光电器件“革命革命” 超薄材料技术超薄材料技术 态密度阶梯分布态密度阶梯分布 - 激子存在激子存在 - 非线性光学效应非线性光学效应 - 多功能光电器件：多功能光电器件： 量子阱激光器、垂直腔面激光器

18、、自电光效应器量子阱激光器、垂直腔面激光器、自电光效应器件、件、 光开关、光储光开关、光储 存、光逻辑存、光逻辑 介质光栅发射器介质光栅发射器 - DFB激光器激光器- 为为PIC发展奠发展奠定基础定基础各种各种OEIC器件：器件： LD+PD（探测器）（探测器） PD+GR（光栅）（光栅） LD+MD (调制器调制器) PD+WG（光波导）（光波导） LD+OA (光放大器光放大器) PD+AP（放大器）（放大器） LD+GR（光栅）（光栅） PINFET，PINHBT LD+WG（光波导）（光波导）PINHEMT,SMSHEMT3光纤技术的发展：光纤技术的发展： 光纤应用：光纤应用：通信介

19、质、传感器、激光器、通信介质、传感器、激光器、 医疗、医疗、 艺术艺术 光纤发展方向光纤发展方向：低损耗、多功能化：低损耗、多功能化 光介质光介质：损耗：损耗20dB/km 降到降到0.2dB/km以下以下 多模光纤多模光纤：偏注入技术、中心注入技术，：偏注入技术、中心注入技术， 1Gb/s、2km 单模光纤单模光纤：低成本化，：低成本化，0.2$/km 特殊光纤特殊光纤：掺稀土、色散管理、宽带色：掺稀土、色散管理、宽带色 散补偿、大面积、多芯、全散补偿、大面积、多芯、全 波、塑料波、塑料 我国光纤产业：光纤芯生产严重不足，光我国光纤产业：光纤芯生产严重不足，光 缆产品过剩缆产品过剩 4光盘技

20、术的发展：光盘技术的发展： 光盘储存的优点：光盘储存的优点： 高速、高储存密度、高可靠性、高适应性高速、高储存密度、高可靠性、高适应性 光盘储存的发展方向：光盘储存的发展方向： 短波全光光盘、三维立体储存短波全光光盘、三维立体储存一光的本性一光的本性1 1光的波粒二象性光的波粒二象性 光学真正形成一门学科，反射定律和光学真正形成一门学科，反射定律和折射定律算起，这两个定律奠定了几折射定律算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。何光学的基础。什么是光什么是光?光的本质是什么光的本质是什么?光是由什么组成的光是由什么组成的?人们认识光的本性经过了艰难而又曲折的道路。人们认识光的本性经过了艰难而又曲折

21、的道路。法国科学家笛卡儿，生于1596年，是近代科学技术史上一位有多方面成就的伟大学者，其思想影响了整个17世纪。作为近代科学技术史上的伟大科学家，笛卡儿探索了科学技术的众多领域，取得了众多科研成果。他用微粒子涡动理论说明太阳和行星的运动，他用微粒子涡动理论说明太阳和行星的运动，发现了光折射基本定律；发现了光折射基本定律；证明了宇宙永远保存着同量的运动，提出了证明了宇宙永远保存着同量的运动，提出了运动守恒定律；运动守恒定律；虎克和牛頓的關係問題一直充滿了爭論。一般認為，兩人彼此存在較大的敵意。爭論起源於光學，1672年牛頓在皇家學會闡述自己的觀點，認為白光經過稜鏡產生色散，分成七色光，他將其解

22、釋為不同顏色微粒的混合與分開，遭到主張波動說的虎克的尖銳批評。牛頓大怒，稱虎克完全沒有理解自己這一劃時代發現的意義，並威脅要離開皇家學會。牛顿牛顿的微粒说，的微粒说，光是直线传播的微粒流。光是直线传播的微粒流。1717世纪世纪-两种对立的学说。两种对立的学说。牛顿还进行了大量的观察实验和数学计牛顿还进行了大量的观察实验和数学计算，现象，算，现象，“牛顿环牛顿环”的光学现象等等。的光学现象等等。 “微粒说微粒说”这些微粒从光源飞出，质量极小，忽这些微粒从光源飞出，质量极小，忽略重力作用，在真空或均匀媒质中做惯性运动，略重力作用，在真空或均匀媒质中做惯性运动，并且走的是最快速的直线运动路径。并且走

23、的是最快速的直线运动路径。白光是由各种不同颜色的光组成白光是由各种不同颜色的光组成主張微粒說的牛頓一直將已完成的著作光學延遲到虎剋死後才出版，光學出版後，奠定了微粒說的統治地位。例如，为什么两束光可以彼例如，为什么两束光可以彼此交叉通过而互不干扰此交叉通过而互不干扰? ? 微粒说也面临着微粒说也面临着许多棘手的问题。许多棘手的问题。研究牛顿环时，牛顿认识到研究牛顿环时，牛顿认识到了光的周期性了光的周期性牛顿主张中有一个假设，就是媒质牛顿主张中有一个假设，就是媒质中光速比空气中的光速大。中光速比空气中的光速大。惠更斯惠更斯的波动说的波动说, ,光是光是在以太中传播的波动。在以太中传播的波动。惠更

24、斯惠更斯波动学说，打破了当时流行的光的微波动学说，打破了当时流行的光的微粒学说，提出了粒学说，提出了光波面在媒体中光波面在媒体中传播的惠更传播的惠更斯原理。斯原理。惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的弹性，光的传播就像振动沿着一排互相衔好的弹性，光的传播就像振动沿着一排互相衔接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。光的传播方式与声音类似，不是微粒光的传播方式与声音类似，不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。说所设想的像子弹或箭那样

25、的运动。 微粒说在解释光线微粒说在解释光线从空气进入水中的从空气进入水中的折射现象时，需要折射现象时，需要假设；假设； C C水水CC空气空气 这两种学说都可以解释一定的光学现这两种学说都可以解释一定的光学现象（光的反射和折射）。象（光的反射和折射）。 而波动说需要假设而波动说需要假设 C水水C空气空气 当时，人们还不能准确地当时，人们还不能准确地用实验方法测定光速用实验方法测定光速因而无法根据折射现象去因而无法根据折射现象去判断它们的优劣。判断它们的优劣。 19 19世纪，光的干涉、世纪，光的干涉、衍射和偏振等现象，衍射和偏振等现象， 与微粒说格格不入，与微粒说格格不入，增透膜薄膜干涉镜面检

26、测圆屏衍射圆孔衍射钢针的衍射光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波杨的实验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿，几乎无法反驳。无论微粒怎么样努力，也无法躲开对手的无情轰炸：它就是难以说明两道光叠加在一起怎么会反而造成黑暗。而波动的理由却是简单而直接的：两个小孔距离屏幕上某点的距离会有所不同。当这个距离是波长的整数值时，两列光波正好互相加强，就形成亮点。反之，当

27、距离差刚好造成半个波长的相位差时，两列波就正好互相抵消，造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。 惠更斯的波动说惠更斯的波动说惠更斯发展了波动理论。但是由于他把光看惠更斯发展了波动理论。但是由于他把光看成像声波一类的纵波，因此不能解释偏振现成像声波一类的纵波，因此不能解释偏振现象、干涉和衍射现象。象、干涉和衍射现象。但是光波的本质到底是什么，是像水波？还是像声波呢？从这个观念出发，他以严密的数学推理，圆满地解释了光的衍射，并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。他与D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的干涉，确定了光是横波（1821）；他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象（1823），用波

28、动说解释了偏振面的旋转；他推出了反射定律和折射定律的定量规律，即菲涅耳公式；解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现象，奠定了晶体光学的基础。菲涅耳由于在物理光学研究中的重大成就，被誉为“物理光学的缔造者”。菲涅耳采用了光是一种波动的观点，但是革命性地认为光是一种横波(也就是类似水波那样，振子作相对传播方向垂直运动的波)而不像从胡克以来一直所认为的那样是一种纵波(类似弹簧波，振子作相对传播方向水平运动的波)。1850年，法国物理学家傅科设计了一面旋转的镜子，让它用一定的速度转动，使它在光线发出并且从一面静止的镜子反射回来的这段时间里，刚好旋转一圈。这样，能够准确地测得光线来回所用的时间，就可以算

29、出光的速度。菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖(Grand Prix)，同时一跃成为了可以和牛顿，惠更斯比肩的光学界的传奇人物。到了19世纪中期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了。因为根据粒子论，这个速度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这个速度则应该比真空中要慢才对。 经过多次实验，傅科测得的光速平均值等于 2.98108米/秒。值得一提的是，傅科还在整个装置充入了水，测定了光在水中的速度。他发现光在水中的速度与空气中的速度之比近似等于3/4，正如等于水和空气的折射率之比，水中的光速慢于真空中的光速，与微粒理论的预言相悖。 麦克斯

30、韦大约于麦克斯韦大约于18551855年年预言了电磁波的存在，发现电磁波的传播速度与当时已经用精确的实验室方法测得的光速非常接近。麦克斯韦没有把这一发现当成一种巧合，他相信这其中必定有物理上的奥秘。于是，在麦克斯韦的脑海里，显现了创造性的具有极其重大意义的新见解。18651865年他预言了电磁波的存在年他预言了电磁波的存在麦克斯韦的电磁场理论将长期以来彼此独立的电学、磁学与光学结合起来，实现了物理学中一次规模空前的大统一。但是，当时人们对麦克斯韦电磁场理论的深刻含义没有给予应有的重视。但是波动内部还是有一个小小的困难，就是以太的问题。光是一种横波的事实已经十分清楚，它传播的速度也得到了精确测量

31、，这个数值达到了30万公里/秒，是一个惊人的高速。1888 年，德国年轻的物理学家赫兹用实验产生了电磁波，证明了电磁波的存在。同年，赫兹用实验测定了电磁波在空气中的传播速度，其结果与光在空气中传播速度相同。接着，赫兹又做了一系列的电磁实接着，赫兹又做了一系列的电磁实验。做了干涉、衍射、偏振等项实验。做了干涉、衍射、偏振等项实验。这一切都清楚地表明，电磁波验。这一切都清楚地表明，电磁波的性质与光波的性质相同。的性质与光波的性质相同。赫兹的实验，雄辩地证明了麦克赫兹的实验，雄辩地证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性，即证斯韦电磁场理论的正确性，即证明了光的电磁波动理论的正确性，明了光的电磁波动理论的正

32、确性，使人们对麦克斯韦在科学上取得使人们对麦克斯韦在科学上取得的重大成就有了基本正确的估价。的重大成就有了基本正确的估价。光的电磁波动理论排除了机光的电磁波动理论排除了机械以太困难。但是，代替机械以太困难。但是，代替机械以太的械以太的“电磁以太电磁以太”也不也不能解释光与其它物质作用时能解释光与其它物质作用时的一些现象。的一些现象。人们形成了广义光的概念，即将波人们形成了广义光的概念，即将波长短于远红外线（长短于远红外线（1.01.0）的一切）的一切电磁波统称为光。电磁波统称为光。光的电磁波动理论，使人类对光的光的电磁波动理论，使人类对光的认识更加深化，认识范围更加扩大。认识更加深化，认识范围

33、更加扩大。光具有波动性，光是电磁波。光具有波动性，光是电磁波。反常色散。反常色散。电光效应，电光效应，泡克耳斯效应。泡克耳斯效应。爱因斯坦康普顿光电效应以及康普顿效应等无可辩驳的证实了光是一种粒子热辐射是十九世纪发展起来的一个热辐射是十九世纪发展起来的一个物理学新领域，它的研究得到了热物理学新领域，它的研究得到了热力学和光谱学的支持。十九世纪末，力学和光谱学的支持。十九世纪末，物理学正是从这个领域打开了一个物理学正是从这个领域打开了一个缺口，导致了量子论的诞生。缺口，导致了量子论的诞生。在热辐射的研究中，热辐射的辐射能量，特别是这一辐射的在热辐射的研究中，热辐射的辐射能量，特别是这一辐射的能量

34、随波长分布的特性，往往是物理学家研究的重点。能量随波长分布的特性，往往是物理学家研究的重点。E E= =HH 19 19世纪末，人们用经典物理学解释黑体世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了著名的所谓辐射实验的时候，出现了著名的所谓“紫外紫外灾难灾难”。虽然瑞利、金斯（。虽然瑞利、金斯（1877187719461946）和）和维恩（维恩（1864186419281928）分别提出了两个公式，）分别提出了两个公式，但是和实验相比，瑞利但是和实验相比，瑞利金斯公式只在低频金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高频范围符合。范围符合，而维恩公式只在高频范围符合。普朗克从普朗克从18

35、961896年导出了一个和实验相符的公式。为年导出了一个和实验相符的公式。为了从理论上得出正确的辐射公式，了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是的的能量的最小数值能量的最小数值=h=h。普朗克当时把它叫做基本作用量子，普朗克当时把它叫做基本作用量子，h h普朗克常数。普朗克常数。普朗克常数是现代物理学中最重要的普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数

36、，它标志着物理学从物理常数，它标志着物理学从“经典经典幼虫幼虫”变成变成“现代蝴蝶现代蝴蝶”1918年诺贝尔物理学奖授予普朗克，以承认由年诺贝尔物理学奖授予普朗克，以承认由于他发现能量子对物理学的进展所作的贡献。于他发现能量子对物理学的进展所作的贡献。光不仅在发射中，而光不仅在发射中，而且在传播过程中以及且在传播过程中以及在与物质的相互作用在与物质的相互作用中，都可以看成能量中，都可以看成能量子。爱因斯坦称之为子。爱因斯坦称之为光量子，也就是后来光量子，也就是后来所谓的光子所谓的光子(photon)。光子是人类继电子光子是人类继电子后认识到的第二个后认识到的第二个基本粒子，不带电，基本粒子，不

37、带电，呈中性。因为电磁呈中性。因为电磁场是一种恒以光速场是一种恒以光速c运动的物质，它运动的物质，它的静止质量为零。的静止质量为零。实物具有微粒结构，电磁场也具有微粒结实物具有微粒结构，电磁场也具有微粒结构，构成电磁场的基本粒子就是光子。构，构成电磁场的基本粒子就是光子。电磁场可以被看做是波动性和粒子性矛电磁场可以被看做是波动性和粒子性矛盾的统一体。它是一系列的波，同时又盾的统一体。它是一系列的波，同时又是光子的集合。是光子的集合。体现其粒子性的能量和动量，与体现体现其粒子性的能量和动量，与体现其波动性的频率和波长不可分割地联其波动性的频率和波长不可分割地联系在一起。系在一起。结论结论爱因斯坦

38、的光子论非爱因斯坦的光子论非牛顿微粒说的复旧，牛顿微粒说的复旧，而是人类对于光和电而是人类对于光和电磁场这类物质认识上磁场这类物质认识上的一个飞跃。的一个飞跃。在反射、折射、干涉、在反射、折射、干涉、衍射、色散等现象中，衍射、色散等现象中，波动性往往成为主要波动性往往成为主要矛盾方面，光便表现矛盾方面，光便表现出像波。出像波。在黑体辐射、光致发在黑体辐射、光致发光、光电效应，以及光、光电效应，以及其他一些有关光的产其他一些有关光的产生和转化的现象中，生和转化的现象中，粒子性往往成为主要粒子性往往成为主要矛盾方面，光便表现矛盾方面，光便表现出像粒子。出像粒子。不同条件下主要矛盾不同条件下主要矛盾

39、方面会发生转化方面会发生转化人类关于波粒二象性的认识并没有停留于人类关于波粒二象性的认识并没有停留于此，此，1924年爱因斯坦提出光子概念后不到年爱因斯坦提出光子概念后不到20年，年轻的法国物理学家德布罗意提出年，年轻的法国物理学家德布罗意提出了了“物质波物质波”概念。概念。论证了微观粒子也具有波动性。论证了微观粒子也具有波动性。实际上正是人们正确实际上正是人们正确认识到了微观粒子所认识到了微观粒子所具有的波粒二象性的具有的波粒二象性的特征，才建立起了描特征，才建立起了描述其运动状态变化规述其运动状态变化规律的量子力学理论。律的量子力学理论。他的观点不久就他的观点不久就得到电子衍射等得到电子衍

40、射等实验的证实。实验的证实。他认为不仅光具有波粒二象性，他认为不仅光具有波粒二象性，所有的实物粒子，都具有波粒所有的实物粒子，都具有波粒二象性。二象性。波动理论：波动理论：光是频率为光是频率为的电磁波；的电磁波； 量子理论：量子理论：一定频率的光对应一定频率的光对应一定能量的光子；一定能量的光子； 光的波、粒二重性光的波、粒二重性, ,统一起来。统一起来。E E= =H H 之间的关系之间的关系；2 2光的波动性光的波动性 实型的且与时间有关实型的且与时间有关的麦克斯韦方程组的麦克斯韦方程组光是电磁波，光是电磁波，从与时间有关的从与时间有关的麦克斯韦方程组出发，麦克斯韦方程组出发，用极化密度用

41、极化密度P P 电场强度电场强度E E 磁化密度磁化密度M M 磁场强度磁场强度H H之间的线性关之间的线性关系，可导出波动方程和熟知系，可导出波动方程和熟知的平面波解。的平面波解。 其中其中 是电荷密度，是电荷密度，J是是所有与极化无关的电所有与极化无关的电荷产生的电流密度。荷产生的电流密度。法拉第定律安培定律电场的高斯定理磁场的高斯定律 在一个磁化密度为在一个磁化密度为M M及极化密度为及极化密度为P P的的介质中，麦克斯韦方程组为介质中，麦克斯韦方程组为平面光波的波动表示式为平面光波的波动表示式为E(r,t)=E0cos(t-kr)H(r,t)=H0cos(t-kr)求解方程组，可以得到

42、光波具有不同的传播形求解方程组，可以得到光波具有不同的传播形式：式：平面波、球面波和柱面波平面波、球面波和柱面波。E E0 0和和H H0 0光波场电场光波场电场和磁场强度的振幅；和磁场强度的振幅；光波角频率光波角频率( (2 2) )；k k光波传播方向光波传播方向的波矢量。其大的波矢量。其大小小k k2/;r2/;r为空间坐标。为空间坐标。一维平面波是均匀介质中波动方程的解。一维平面波是均匀介质中波动方程的解。 可以证明可以证明: : 平面光波具有横波特性电矢量的平面光波具有横波特性电矢量的振动方向垂直于波的传播方向振动方向垂直于波的传播方向 E E( (r r，t t) )和和H H(

43、(r r，t t) )相位相同、振动相位相同、振动方向互相垂直。方向互相垂直。 E(r,t)=E0expi(tkr)H(r,t)=H0expi(tkr)为运算的方便。把波动式写成复数形式为运算的方便。把波动式写成复数形式光效应是由电场强度矢量引起的光效应是由电场强度矢量引起的, , 光波只用电场描述。光波只用电场描述。光的波动性光的波动性-干涉、衍干涉、衍射及偏振等特性。射及偏振等特性。 频率相同频率相同 振动方向相同振动方向相同 相位相同相位相同 具有固定相位差具有固定相位差 相遇时，在相相遇时，在相遇的区域内产遇的区域内产生干涉现象。生干涉现象。当光波间当光波间如图，点着酒精灯，在其如图，

44、点着酒精灯，在其火焰上洒一些火焰上洒一些食盐食盐，使酒精灯便发，使酒精灯便发出出黄色的火焰黄色的火焰。把带。把带肥皂液薄膜肥皂液薄膜的的金属圈放在酒精灯旁适当的位置，金属圈放在酒精灯旁适当的位置，使眼睛恰能看到由薄膜反射而生成使眼睛恰能看到由薄膜反射而生成的黄色火焰的的黄色火焰的虚像。当肥皂薄膜下虚像。当肥皂薄膜下垂到一定程度，就在虚像上出现了垂到一定程度，就在虚像上出现了明暗相间的干涉条纹。明暗相间的干涉条纹。干涉条纹形成的原因：干涉条纹形成的原因：竖竖立的立的肥皂薄膜肥皂薄膜在重力作用下形成在重力作用下形成了了上薄下厚上薄下厚的楔形。当酒精灯的的楔形。当酒精灯的火焰照射到薄膜上时，火焰照射

45、到薄膜上时，分别分别从膜从膜的前表面和后表面反射的两列光的前表面和后表面反射的两列光波波，它们频率相同，方向一致，它们频率相同，方向一致，能产生干涉。能产生干涉。不同单色光的薄膜干涉条纹不同单色光的薄膜干涉条纹 可见，波长可见，波长越长，干涉条纹越宽越长，干涉条纹越宽白光的薄膜干涉条纹白光的薄膜干涉条纹彩色条纹彩色条纹肥皂泡和水面上的油膜所呈现的美肥皂泡和水面上的油膜所呈现的美丽色彩。丽色彩。光的波动性光的波动性-光的衍射光的衍射两个主要特点，两个主要特点，光传播方向会变，经光传播方向会变，经障碍物后会绕到其几障碍物后会绕到其几何阴影区域中去；何阴影区域中去；在几何阴影区附近，在几何阴影区附近

46、，波的强度会有起伏。波的强度会有起伏。生活中，极少发现光绕到障生活中，极少发现光绕到障碍物后面去的衍射现象碍物后面去的衍射现象 只有只有当障碍物的尺寸与当障碍物的尺寸与波长相近时，衍射现象波长相近时，衍射现象才较显著才较显著。 在空气中，无线电在空气中，无线电(10-10(10-103 3) )米，可闻声米，可闻声波波 (10 (102 2-10)-10)米，其衍射现象极为常见米，其衍射现象极为常见 而光波波长在可见光区是而光波波长在可见光区是(0.4-0.7)(0.4-0.7)微米，故其衍射现象少见。微米，故其衍射现象少见。 自然光或自然光或非偏振光非偏振光如果电场如果电场振动方向振动方向漫

47、无规则，漫无规则，则该光为则该光为光波的偏振特性光波的偏振特性 偏振偏振光光电电场矢场矢量具量具有一有一定的定的规则规则 振动面振动面线偏振光的线偏振光的振动方向与传播方振动方向与传播方向构成的平面。向构成的平面。 部分偏振光园偏振光椭园偏振光在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。3 3光的相干性光的相干性 相干性问题，无线电波段中存在，由于无线电频率比较低，相干性问题，无线电波段中存在，由于无线电频率比较

48、低，它们的相干性非常好。它们的相干性非常好。对于光波来说，是电磁波，由于它的频率对于光波来说，是电磁波，由于它的频率高，它们的相干性较差，因此在那些与相高，它们的相干性较差，因此在那些与相干性有关的应用中，必须讨论这个问题。干性有关的应用中，必须讨论这个问题。 光的相干性就是指在不同空间点、不同时光的相干性就是指在不同空间点、不同时刻的光波场的某些特性刻的光波场的某些特性( (例如光波场的相位例如光波场的相位) )之间的相关性。之间的相关性。时间相干时间相干空间相干空间相干光的相干有两种类型光的相干有两种类型1 1）时间相干性时间相干性 时间相干性是指同一空间点上，两时间相干性是指同一空间点上

49、，两个不同时刻光波场之间的相干性个不同时刻光波场之间的相干性. . 或者说是指沿着光传播方向，离光源不同距离或者说是指沿着光传播方向，离光源不同距离的两点，在同一时刻光波场之间的相干性。的两点，在同一时刻光波场之间的相干性。t1t1t1t2时间相干性的含义时间相干性的含义 从原理上，可以在光路上两点通过两从原理上，可以在光路上两点通过两个分束器取出部分光，考察信号间的个分束器取出部分光，考察信号间的相关效应。相关效应。 两个信号相关，则可以由一点的光电两个信号相关，则可以由一点的光电场场( (振幅、相位振幅、相位) )确定另一点的光电场确定另一点的光电场( (振幅、相位振幅、相位) )。或由空

50、间一点某时刻的光电场确定另一时刻的光电场。相干长度相干长度t tC C= =L LC C/C/C，为相干时间，光波在为相干时间，光波在该相干时间内是时间相干的。该相干时间内是时间相干的。 t tC C愈大，光的时间相干性愈好。愈大，光的时间相干性愈好。 改变两镜间的距离时，干涉改变两镜间的距离时，干涉条纹将产生变化。条纹将产生变化。当镜间距离当镜间距离增加到某一长度增加到某一长度L LC C时，干涉效时，干涉效应消失，这个长度称为相干长应消失，这个长度称为相干长度度。光传播速度。光传播速度c c为常数，相为常数，相应该长度有一个光的传播时间应该长度有一个光的传播时间. .2 2）空间相干性空间