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光子学基础 第一章 光子学绪论 第二章 光的波粒二象性及测不准原理 第三章 激光的产生与性质 第四章 光的传播 第五章 光波导与光纤 第六章 光的调制与光子学器件 第七章 光的放大与光的探测 第八章 光子技术的应用 参考文献 教材：黄肇明，光子学与光通信导论， 上海大学出版社，2001年2月 (自行打印) 参考书： S. O. Kasap, “Optoelectronics and Photonics, Principle and Practices, 光电子学与光子学的原理及应用”，电子工业出版社，2003年3月 马声全、陈贻汉 编著，“光电子理论与技术”，电子工业出版社，2005年1月 第一章 光子学绪论 光子学内涵 从电子学到光子学 光子的特性 从牛顿力学到相对论 物质的粒子性 光电效应 高 锟----光纤通信发明家（左） 1998年在英国接受IEE 授予的奖章 牛顿(1666)从三梭镜的研究提出： “光以微小粒子的形式从发光物体传播出来”。这些光粒子服从牛顿力学，已知现在的状态就可以预期以后的状态 光的费马原理(1657)------“自然界的行为永远以路程最短为准则”，对光来说：它以最短时间到达目的地，即两点之间直线为最短光程 牛顿的光粒子以光速 c 作匀速直线运动(第三定律) 光线的弯曲 1911年爱因斯坦预言光子存在运动质量，在日全食时，掠过太阳旁的星光会被吸引而扭弯，弯曲大约千分之二度。1919年英国日食考察队分别到巴西和几内亚观测．证 实了爱因斯坦的理论。 最近英国天文学家观察 到 “爱因斯坦环”，这种 现象被看作 “引力透镜”。 从牛顿力学到相对论 引力场使空间弯曲 空间的弯曲类似一个大球放在橡皮膜上形成弯曲的曲面。当小球(光子)滚向大球时，就以曲线方式滚向大球，走一条曲线。一般人看来是牛顿的引力将小球引向大球。 爱因斯坦说 “物质告诉空间怎样弯曲，空间告诉物质怎样运动” 从牛顿力学到相对论 时空对比 牛顿力学 牛顿的光粒子，作匀速直线运动 绝对时间、空间 存在不动的 “以太” 存在绝对的 “观察者” (上帝) 欧几里德空间“平直” (在空间中不存在质量与能量) 判据 光是波 牛顿之后，光是一种波动在18、19以至20世纪己深入人心，不会怀疑。 例如，孔的衍射现象在当时就不能用粒子性讲清楚 平面电磁波 平面电磁波 任意方向平面电磁波 麦克斯韦波动方程及传输 高斯光束和光强 光的传输 光是粒子吗?-----普朗克常数 h 的发现 黑体辐射图 (这是实验事实) 1) 温度愈高热辐射愈强 ，温度从低到高，炉体从暗红到强烈的发光。 2) 温度愈高，光谱中最强辐射的频率愈高 ， 颜色由 “红” 到“白” 到 “蓝”。 维恩位移定律： 设黑体腔为边长等于 d 的立方体 驻波条件 (l,m,n为模数------1,2,3,4,-----) 波矢量 一个模的体积 ( ) 黑体辐射射的普朗克公式的推导 黑体腔内从 0~? 谐振模的数目 (n为腔内介质折射率) 腔内单位体积、单位频率间隔中模的数目 黑体辐射普朗克公式的推导 -----腔模平均能量的计算 在 T 温度下，腔模几率按玻尔兹曼分布，某一腔模其能量处在 E 和 E+dE 之间的几率 dp 可表为 其中 C 是一个常数。 若腔模能量是连续的，每个模的平均能量为 黑体辐射射的普朗克公式的推导 当能量不连续时，每个模的平均能量为 黑体辐射普朗克公式 ( T 温度下能量密度公式 ) 黑体辐射射研究的小结 普朗克成功地证明了黑体辐射公式从而在1900年确立了光是粒子------光(电磁辐射)能量是一份一份的即 hν 不久爱因斯坦发现光电效应更形象地说明光的粒子本性 试举几个生活中光是粒子的例子 光电效应 光电效应 光电效应 例题 ：有一钾薄片，距光源3米，此光源功率为1瓦。钾原子以原子半径为0.5A。(0.05nm)的圆面积来吸收光能量，并发射光电子。光电子脱离钾表面的脱出功为1.8eV。问按波动的观点，钾原子要从光源吸收到这么些光能量，需要多长时间？ 解 钾原子面积上照到的光能量为： 逸出光电子所需的时间： 显然用光波动理论无法解释光电效应 第二章 光的波粒二象性及测不准原理 光压现象-----粒子性的表现 光压的数字例子 光学粘胶 1997年，一位华裔科学家朱棣文登上了诺贝尔奖领奖台，他因开发出 “激光冷却原子” 的 “光学粘胶” 技术而得奖的，可是他研究工作的基础正是利用光的粒子性----光压现象。