光電子技術(shù)的進展光的本性課件

光存儲技術(shù)的歷史較短，而發(fā)展很快。1972年，美國飛利浦公司演示了模擬式激光視盤。5.光存儲1993年下半年才付諸實用的新技術(shù)，也稱CD視盤。VCD的視頻壓縮和解碼技術(shù)是由美國人發(fā)明的，通過壓縮把一部電影的動態(tài)圖像和聲音壓縮到1.2G信息容量左右的光盤中去，并通過數(shù)字解碼技術(shù)把壓縮的電子信號重新播放出來。1982年，飛利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一臺數(shù)字式激光唱機。由于激光唱機（CD）進入家庭和只讀式光盤存儲器(CD--ROM)同個人計算機結(jié)合，VCD(CD視盤)──其全稱為Video─CD。光存儲技術(shù)的歷史較短，而發(fā)展很快。5.光存儲1993年下半年1DVD――全稱為DigitalVideoDISK數(shù)字視頻光盤機，它是1994年才誕生的新機種。從原理上來說，DVD與VCD沒有本質(zhì)的不同，DVD也是對電影畫面進行視頻壓縮，將壓縮的圖像儲存在光盤上。播放時DVD影碟機對光盤上的數(shù)字信號進行解碼，還原出圖像在顯示器上播放。一張盤只能儲存640MK的信息；DVD――全稱為DigitalVideoDISK數(shù)字視頻2目前光盤存儲技術(shù)中,載有信息的調(diào)制激光束通過物鏡聚焦于光盤存儲介質(zhì)層上記錄,由于物鏡離介質(zhì)較遠(毫米級)故稱為遠場記錄而存儲密度正比于所以要提高存儲的位密度,就要縮短激光波長和升高物鏡的數(shù)值孔徑.

記錄點的尺寸決定于聚焦光的衍射極限.在光的衍射極限下,光線的聚焦直徑(d)與光波長()成正比例而與鏡頭的數(shù)值孔徑(NA)成反比,即目前光盤存儲技術(shù)中,載有信息的調(diào)制激光束通過物鏡聚焦于光盤3CD(780nm，NA：0.45)DVD(650nm，NA：0.6)，Blu-rayDisc盤片(405nm，NA：0.85)光盤技術(shù)要提高記錄密度，可使用短波長激光或提高物鏡的數(shù)值孔徑使光點縮小，CD(780nm，NA：0.45)光盤技術(shù)要提高記錄密度，4光盤存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率的發(fā)展趨勢.光盤存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率的發(fā)展趨勢.5平板顯示器技術(shù)以液晶顯示器發(fā)展最快。液晶材料既具有液體的特點又具有晶體的許多特性。1964年，美國RCA公司發(fā)現(xiàn)液晶的多種光電效應(yīng)：賓主效應(yīng)、動態(tài)散射效應(yīng)和相移存儲效應(yīng)，為液晶顯示器、液晶光閥等器件的研制奠定了基礎(chǔ)。6平板顯示器等離子體顯示器、場致發(fā)光顯示器相繼問世并不斷的發(fā)展?，F(xiàn)在，平板顯示器以形成巨大的市場。

平板顯示器技術(shù)以液晶顯示器發(fā)展最快。液晶材料既具有液體的特點6是研究從紅外波、可見光、紫外光、X射線直至射線波段范圍內(nèi)的光波電子技術(shù)，是研究運用光子和電子的特性，通過一定媒介實現(xiàn)信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的技術(shù)。

信息：聲音、文字、圖像（動態(tài)和靜態(tài)）、數(shù)據(jù)、文件

信息的收集、處理、傳遞和顯示必須依靠載體。

例如，聲音是以無線電波（調(diào)幅或調(diào)頻）為載體實現(xiàn)無線電廣播。最通常的信息載體是：電子、光子什么是光電子技術(shù)？

是研究從紅外波、可見光、紫外光、X射線直至射線波段范7光電子學(xué)半導(dǎo)體光電子學(xué)導(dǎo)波光學(xué)激光與紅外物理學(xué)

相干光學(xué)

非線性光學(xué)光與物質(zhì)相互作用強光光學(xué)效應(yīng)電光效應(yīng)聲光效應(yīng)磁光效應(yīng)光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)發(fā)光效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)介質(zhì)導(dǎo)波效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)光電子技術(shù)光電子學(xué)半導(dǎo)體光電子學(xué)導(dǎo)82．電子學(xué)和光子學(xué)的比較：

電子學(xué)：Electronics是研究電子的運動、電子及其應(yīng)用的科學(xué)電子學(xué)發(fā)展歷程：

從愛迪生1883年實驗開始算起，經(jīng)120年發(fā)展電學(xué)---電子學(xué)---電子技術(shù)---電子工程---電子產(chǎn)業(yè)電子技術(shù)及其主要應(yīng)用：

器件：電子管、晶體管、集成電路（IC）等

應(yīng)用：電信、無線電廣播、電視、計算機等2．電子學(xué)和光子學(xué)的比較：9

光子學(xué)：Photonics是研究光子運動、光子作用及其應(yīng)用的科學(xué)。荷蘭科學(xué)家Poldervart1970年提出Photonics并定義為：“光子學(xué)是研究以光子為信息載體的科學(xué)”。錢學(xué)森：“光子學(xué)是研究光子的產(chǎn)生、運動和轉(zhuǎn)化的科學(xué)。”光子學(xué)：Photonics是研究光子運動、光子作用及10光子學(xué)發(fā)展歷程：從1970年P(guān)oldervart提出算起，也正經(jīng)歷：光學(xué)--光子學(xué)--光子技術(shù)--光子工程--光子產(chǎn)業(yè)光子技術(shù)及其主要應(yīng)用：器件：有源元件：激光器、光探測器、光放大器、光集成回路等無源元件：耦合器、調(diào)制器、濾波器、光波導(dǎo)等應(yīng)用：光子通信、光儲存、光計算機等

光子學(xué)發(fā)展歷程：從1970年P(guān)oldervart提出11電子和光子性質(zhì)的比較

電子和光子性質(zhì)的比較123．光子傳遞信息的特點：對比電子：（1）極快的響應(yīng)時間可用于超高速、寬帶通信：

光子靜止質(zhì)量為零、在真空中以光速運動，不受電路中RCL時間常數(shù)的限制。

光子響應(yīng)時間可短達10－15秒，即fs量級，而電子器件及系統(tǒng)最快的響應(yīng)時間為10－9秒，即ns量級，兩者相差100萬倍。這在將來的光計算機等關(guān)鍵技術(shù)中將發(fā)揮巨大作用。1990年美Bell3．光子傳遞信息的特點：13（2）傳輸信息容量大：

光子傳輸信息時具有時間可逆性、不具有高度空間局域性，使它可以形成向前和向后的共軛波，以補償光纖傳輸中所產(chǎn)生的崎變和失真。利用這方法理論上可實現(xiàn)無損耗通信。

目前光纖通信正從第二代1.31微米波段零色散單模光纖向第三代1.55微米波段低損耗色散單模光纖作換代發(fā)展。傳輸容量從1978年的10Gb/s.km以每年10倍速度提高，1986年達1Tb/s.km。（2）傳輸信息容量大：14理論已證明，一個光子在室溫下可攜帶30bit的信息量并隨溫度的下降而以指數(shù)形式增加，以至達到無限值。所以，理論上可以講：“光子通信有望借助一個光子將無窮多信息傳輸給無窮多受信者”。

理論已證明，一個光子在室溫下可攜帶30bit的信息量并隨溫度15（3）高抗干擾、高可靠性：

光子不帶電荷，光纖不和受外界電磁波相互作用，光纖通信具有高抗干擾、高可靠性。

光子與光子之間不容易發(fā)生交互作用，光束可以在光纖中交叉通過而互不影響，這個特性被利用來波分復(fù)用，使在一根光纖實現(xiàn)多波長通信，大大提高了光纖的通信容量和利用率。（3）高抗干擾、高可靠性：16（4）光儲存具有儲存量大、速度快、密度高、誤碼率低的優(yōu)點。

總之，超高速、抗干擾、大容量、高可靠性是光子技術(shù)的特點。（4）光儲存具有儲存量大、速度快、密度高、誤碼率低的優(yōu)點。17其原因：1.光子技術(shù)還不成熟，2.電子和光子是一對具有高度互補的“孿生兄弟”：電子能態(tài)的改變導(dǎo)致光子的發(fā)射，而光子被物質(zhì)吸收將引起電子系統(tǒng)能態(tài)的變化產(chǎn)生自由的電子。

光子學(xué)和電子學(xué)的關(guān)系實際上互相依存、互相補充、互相促進的。

光子學(xué)和電子學(xué)結(jié)合在一起稱為光電子學(xué)；因它應(yīng)用于信息領(lǐng)域所形成的主要技術(shù)、方法、工藝等統(tǒng)稱為光電子技術(shù)。必須指出：到目前為止完全脫離電子的全光子過程、光子技術(shù)和光子產(chǎn)業(yè)還很少。其原因：必須指出：到目前為止完全脫離電子的全光子過程、光子18

4.光電子技術(shù)的應(yīng)用：光電子技術(shù)以光和電相結(jié)合的嶄新技術(shù)進行信息的

收集、加工、發(fā)射、傳輸、接收、提取、儲存、顯示和分配等，

在工農(nóng)業(yè)、科技、軍事和生活等幾乎所有領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。4.光電子技術(shù)的應(yīng)用：19光電子技術(shù)的進展光的本性課件20目前光子技術(shù)在向微光子技術(shù)、光電集成技術(shù)方向迅速發(fā)展。它們代表了信息光子技術(shù)在微光、光纖通信、光計算、光信息儲存等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1．微光子技術(shù)的發(fā)展：

2．光電集成技術(shù)的發(fā)展：

3．光纖技術(shù)的發(fā)展：

4．光盤技術(shù)的發(fā)展：目前光子技術(shù)在向微光子技術(shù)、光電211．微光子技術(shù)的發(fā)展：

微加工--微工程--微電子、微機械、微光學(xué)●自聚焦透鏡的出現(xiàn)為微光學(xué)發(fā)展奠定基礎(chǔ)●陣列光學(xué)元件的發(fā)展開拓了微光學(xué)在信息領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

●集成微光學(xué)器件是微光學(xué)發(fā)展的新方向1．微光子技術(shù)的發(fā)展：222．光電集成技術(shù)的發(fā)展：微電子---IC光電子----OEIC微光子----PIC

超晶格理論

能帶工程

量子效應(yīng)光電器件

光電器件“革命”

超薄材料技術(shù)

態(tài)密度階梯分布---激子存在---非線性光學(xué)效應(yīng)---多功能光電器件：

量子阱激光器、垂直腔面激光器、自電光效應(yīng)器件、

光開關(guān)、光儲

存、光邏輯

介質(zhì)光柵發(fā)射器---DFB激光器----為PIC發(fā)展奠定基礎(chǔ)2．光電集成技術(shù)的發(fā)展：23各種OEIC器件：LD+PD（探測器）PD+GR（光柵）

LD+MD(調(diào)制器)PD+WG（光波導(dǎo)）

LD+OA(光放大器)PD+AP（放大器）

LD+GR（光柵）PIN－FET，PIN－HBTLD+WG（光波導(dǎo)）PIN－HEMT,SMS－HEMT各種OEIC器件：243．光纖技術(shù)的發(fā)展：

光纖應(yīng)用：通信介質(zhì)、傳感器、激光器、

醫(yī)療、

藝術(shù)

光纖發(fā)展方向：低損耗、多功能化

光介質(zhì)：損耗20dB/km降到0.2dB/km以下

多模光纖：偏注入技術(shù)、中心注入技術(shù)，

1Gb/s、2km

單模光纖：低成本化，0.2$/km

特殊光纖：摻稀土、色散管理、寬帶色

散補償、大面積、多芯、全

波、塑料

我國光纖產(chǎn)業(yè)：光纖芯生產(chǎn)嚴重不足，光纜產(chǎn)品過剩3．光纖技術(shù)的發(fā)展：25

4．光盤技術(shù)的發(fā)展：

光盤儲存的優(yōu)點：

高速、高儲存密度、高可靠性、高適應(yīng)性

光盤儲存的發(fā)展方向：

短波全光光盤、三維立體儲存4．光盤技術(shù)的發(fā)展：26一．光的本性1．光的波粒二象性

光學(xué)真正形成一門學(xué)科，反射定律和折射定律算起，這兩個定律奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。什么是光?光的本質(zhì)是什么?光是由什么組成的?人們認識光的本性經(jīng)過了艱難而又曲折的道路。一．光的本性1．光的波粒二象性光學(xué)真正形成一門學(xué)科，反射定27法國科學(xué)家笛卡兒，生于1596年，是近代科學(xué)技術(shù)史上一位有多方面成就的偉大學(xué)者，其思想影響了整個17世紀。

作為近代科學(xué)技術(shù)史上的偉大科學(xué)家，笛卡兒探索了科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域，取得了眾多科研成果。他用微粒子渦動理論說明太陽和行星的運動，發(fā)現(xiàn)了光折射基本定律；證明了宇宙永遠保存著同量的運動，提出了運動守恒定律；法國科學(xué)家笛卡兒，生于1596年，是近代科學(xué)技術(shù)史上一位有多28虎克和牛頓的關(guān)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(xué)，1672年牛頓在皇家學(xué)會闡述自己的觀點，認為白光經(jīng)過稜鏡產(chǎn)生色散，分成七色光，他將其解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(fā)現(xiàn)的意義，並威脅要離開皇家學(xué)會?；⒖撕团ｎD的關(guān)係問題一直充滿了爭論。一般認為，兩人彼此存在較29牛頓的微粒說，光是直線傳播的微粒流。17世紀--兩種對立的學(xué)說。牛頓還進行了大量的觀察實驗和數(shù)學(xué)計算，現(xiàn)象，“牛頓環(huán)”的光學(xué)現(xiàn)象等等?！拔⒘Ｕf”這些微粒從光源飛出，質(zhì)量極小，忽略重力作用，在真空或均勻媒質(zhì)中做慣性運動，并且走的是最快速的直線運動路徑。白光是由各種不同顏色的光組成主張微粒說的牛頓一直將已完成的著作《光學(xué)》延遲到虎剋死後才出版，光學(xué)出版後，奠定了微粒說的統(tǒng)治地位。牛頓的微粒說，17世紀--兩種對立的學(xué)說。牛頓還進行了大量的30例如，為什么兩束光可以彼此交叉通過而互不干擾?微粒說也面臨著許多棘手的問題。研究牛頓環(huán)時，牛頓認識到了光的周期性牛頓主張中有一個假設(shè)，就是媒質(zhì)中光速比空氣中的光速大。例如，為什么兩束光可以彼此交叉通過而互不干擾?微粒說也面臨31惠更斯的波動說,光是在以太中傳播的波動?；莞共▌訉W(xué)說，打破了當(dāng)時流行的光的微粒學(xué)說，提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理?；莞乖O(shè)想傳播光的以太粒子非常之硬，有極好的彈性，光的傳播就像振動沿著一排互相銜接的鋼球傳遞一樣，當(dāng)?shù)谝粋€球受到碰撞，碰撞運動就會以極快的速度傳到最后一個球。光的傳播方式與聲音類似，不是微粒說所設(shè)想的像子彈或箭那樣的運動?；莞沟牟▌诱f,光是在以太中傳播的波動?；莞共▌訉W(xué)說，打破32微粒說在解釋光線從空氣進入水中的折射現(xiàn)象時，需要假設(shè)；C水>C空氣這兩種學(xué)說都可以解釋一定的光學(xué)現(xiàn)象（光的反射和折射）。而波動說需要假設(shè)C水<C空氣當(dāng)時，人們還不能準確地用實驗方法測定光速因而無法根據(jù)折射現(xiàn)象去判斷它們的優(yōu)劣。微粒說在解釋光線從空氣進入水中的折射現(xiàn)象時，需要假設(shè)；3319世紀，光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，與微粒說格格不入，增透膜薄膜干涉鏡面檢測圓屏衍射圓孔衍射鋼針的衍射光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光確實是一種波19世紀，光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，增透膜薄膜干涉鏡34楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源(從一個點發(fā)出的光源)。現(xiàn)在在紙后面再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明、暗交替的條紋，這個簡單巧妙的實驗所揭示出來的現(xiàn)象證據(jù)確鑿，幾乎無法反駁。無論微粒怎么樣努力，也無法躲開對手的無情轟炸：它就是難以說明兩道光疊加在一起怎么會反而造成黑暗。而波動的理由卻是簡單而直接的：兩個小孔距離屏幕上某點的距離會有所不同。當(dāng)這個距離是波長的整數(shù)值時，兩列光波正好互相加強，就形成亮點。反之，當(dāng)距離差剛好造成半個波長的相位差時，兩列波就正好互相抵消，造成暗點。理論計算出的明亮條紋距離和實驗值分毫不差。楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面35惠更斯的波動說惠更斯發(fā)展了波動理論。但是由于他把光看成像聲波一類的縱波，因此不能解釋偏振現(xiàn)象、干涉和衍射現(xiàn)象。但是光波的本質(zhì)到底是什么，是像水波？還是像聲波呢？惠更斯的波動說但是光波的本質(zhì)到底是什么，是像水波？還是像聲波36從這個觀念出發(fā)，他以嚴密的數(shù)學(xué)推理，圓滿地解釋了光的衍射，并解決了一直以來困擾波動說的偏振問題。他與D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的干涉，確定了光是橫波（1821）；他發(fā)現(xiàn)了光的圓偏振和橢圓偏振現(xiàn)象（1823），用波動說解釋了偏振面的旋轉(zhuǎn)；他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律，即菲涅耳公式；解釋了馬呂斯的反射光偏振現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)象，奠定了晶體光學(xué)的基礎(chǔ)。菲涅耳由于在物理光學(xué)研究中的重大成就，被譽為“物理光學(xué)的締造者”。菲涅耳采用了光是一種波動的觀點，但是革命性地認為光是一種橫波(也就是類似水波那樣，振子作相對傳播方向垂直運動的波)而不像從胡克以來一直所認為的那樣是一種縱波(類似彈簧波，振子作相對傳播方向水平運動的波)。從這個觀念出發(fā)，他以嚴密的數(shù)學(xué)推理，圓滿地解釋了光的衍射，并371850年，法國物理學(xué)家傅科設(shè)計了一面旋轉(zhuǎn)的鏡子，讓它用一定的速度轉(zhuǎn)動，使它在光線發(fā)出并且從一面靜止的鏡子反射回來的這段時間里，剛好旋轉(zhuǎn)一圈。這樣，能夠準確地測得光線來回所用的時間，就可以算出光的速度。菲涅爾理論的這個勝利成了第二次微波戰(zhàn)爭的決定性事件。他獲得了那一屆的科學(xué)獎(Grand

Prix)，同時一躍成為了可以和牛頓，惠更斯比肩的光學(xué)界的傳奇人物。到了19世紀中期，微粒說挽回戰(zhàn)局的唯一希望就是光速在水中的測定結(jié)果了。因為根據(jù)粒子論，這個速度應(yīng)該比真空中的光速要快，而根據(jù)波動論，這個速度則應(yīng)該比真空中要慢才對。經(jīng)過多次實驗，傅科測得的光速平均值等于2.98×108米/秒。值得一提的是，傅科還在整個裝置充入了水，測定了光在水中的速度。他發(fā)現(xiàn)光在水中的速度與空氣中的速度之比近似等于3/4，正如等于水和空氣的折射率之比，水中的光速慢于真空中的光速，與微粒理論的預(yù)言相悖。1850年，法國物理學(xué)家傅科設(shè)計了一面旋轉(zhuǎn)的鏡子，讓它用一定38

麥克斯韋大約于1855年預(yù)言了電磁波的存在，發(fā)現(xiàn)電磁波的傳播速度與當(dāng)時已經(jīng)用精確的實驗室方法測得的光速非常接近。麥克斯韋沒有把這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)成一種巧合，他相信這其中必定有物理上的奧秘。于是，在麥克斯韋的腦海里，顯現(xiàn)了創(chuàng)造性的具有極其重大意義的新見解。1865年他預(yù)言了電磁波的存在麥克斯韋的電磁場理論將長期以來彼此獨立的電學(xué)、磁學(xué)與光學(xué)結(jié)合起來，實現(xiàn)了物理學(xué)中一次規(guī)?？涨暗拇蠼y(tǒng)一。但是，當(dāng)時人們對麥克斯韋電磁場理論的深刻含義沒有給予應(yīng)有的重視。但是波動內(nèi)部還是有一個小小的困難，就是以太的問題。光是一種橫波的事實已經(jīng)十分清楚，它傳播的速度也得到了精確測量，這個數(shù)值達到了30萬公里/秒，是一個驚人的高速。麥克斯韋大約于1855年預(yù)言了電磁波的存在，發(fā)現(xiàn)電磁波391888年，德國年輕的物理學(xué)家赫茲用實驗產(chǎn)生了電磁波，證明了電磁波的存在。同年，赫茲用實驗測定了電磁波在空氣中的傳播速度，其結(jié)果與光在空氣中傳播速度相同。接著，赫茲又做了一系列的電磁實驗。做了干涉、衍射、偏振等項實驗。這一切都清楚地表明，電磁波的性質(zhì)與光波的性質(zhì)相同。赫茲的實驗，雄辯地證明了麥克斯韋電磁場理論的正確性，即證明了光的電磁波動理論的正確性，使人們對麥克斯韋在科學(xué)上取得的重大成就有了基本正確的估價。1888年，德國年輕的物理學(xué)家赫茲用實驗產(chǎn)生了電磁波，證明40光的電磁波動理論排除了機械以太困難。但是，代替機械以太的“電磁以太”也不能解釋光與其它物質(zhì)作用時的一些現(xiàn)象。人們形成了廣義光的概念，即將波長短于遠紅外線（λ≤1.0）的一切電磁波統(tǒng)稱為光。光的電磁波動理論，使人類對光的認識更加深化，認識范圍更加擴大。光具有波動性，光是電磁波。反常色散。電光效應(yīng)，泡克耳斯效應(yīng)。光的電磁波動理論排除了機械以太困難。但是，代替機械以太的“電41愛因斯坦康普頓光電效應(yīng)以及康普頓效應(yīng)等無可辯駁的證實了光是一種粒子．愛因斯坦康普頓光電效應(yīng)以及康普頓效應(yīng)等無可辯駁的證實了光是一42熱輻射是十九世紀發(fā)展起來的一個物理學(xué)新領(lǐng)域，它的研究得到了熱力學(xué)和光譜學(xué)的支持。十九世紀末，物理學(xué)正是從這個領(lǐng)域打開了一個缺口，導(dǎo)致了量子論的誕生。在熱輻射的研究中，熱輻射的輻射能量，特別是這一輻射的能量隨波長分布的特性，往往是物理學(xué)家研究的重點。熱輻射是十九世紀發(fā)展起來的一個物理學(xué)新領(lǐng)域，它的研究得到了熱43E=HΝ19世紀末，人們用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻射實驗的時候，出現(xiàn)了著名的所謂“紫外災(zāi)難”。雖然瑞利、金斯（1877—1946）和維恩（1864—1928）分別提出了兩個公式，但是和實驗相比，瑞利—金斯公式只在低頻范圍符合，而維恩公式只在高頻范圍符合。普朗克從1896年導(dǎo)出了一個和實驗相符的公式。為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進行的，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數(shù)值ε=hν。普朗克當(dāng)時把它叫做基本作用量子，h普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的物理常數(shù)，它標志著物理學(xué)從“經(jīng)典幼蟲”變成“現(xiàn)代蝴蝶”1918年諾貝爾物理學(xué)獎授予普朗克，以承認由于他發(fā)現(xiàn)能量子對物理學(xué)的進展所作的貢獻。E=HΝ19世紀末，人們用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻射實驗的44光不僅在發(fā)射中，而且在傳播過程中以及在與物質(zhì)的相互作用中，都可以看成能量子。愛因斯坦稱之為光量子，也就是后來所謂的光子(photon)。光子是人類繼電子后認識到的第二個基本粒子，不帶電，呈中性。因為電磁場是一種恒以光速c運動的物質(zhì)，它的靜止質(zhì)量為零。光不僅在發(fā)射中，而且在傳播過程中以及在與物質(zhì)的相互作用中，都45實物具有微粒結(jié)構(gòu)，電磁場也具有微粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電磁場的基本粒子就是光子。電磁場可以被看做是波動性和粒子性矛盾的統(tǒng)一體。它是一系列的波，同時又是光子的集合。體現(xiàn)其粒子性的能量和動量，與體現(xiàn)其波動性的頻率和波長不可分割地聯(lián)系在一起。結(jié)論愛因斯坦的光子論非牛頓微粒說的復(fù)舊，而是人類對于光和電磁場這類物質(zhì)認識上的一個飛躍。實物具有微粒結(jié)構(gòu)，電磁場也具有微粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電磁場的基本粒子46在反射、折射、干涉、衍射、色散等現(xiàn)象中，波動性往往成為主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像波。在黑體輻射、光致發(fā)光、光電效應(yīng)，以及其他一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象中，粒子性往往成為主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像粒子。不同條件下主要矛盾方面會發(fā)生轉(zhuǎn)化在反射、折射、干涉、衍射、色散等現(xiàn)象中，波動性往往成為主要矛47人類關(guān)于波粒二象性的認識并沒有停留于此，1924年愛因斯坦提出光子概念后不到20年，年輕的法國物理學(xué)家德布羅意提出了“物質(zhì)波”概念。論證了微觀粒子也具有波動性。實際上正是人們正確認識到了微觀粒子所具有的波粒二象性的特征，才建立起了描述其運動狀態(tài)變化規(guī)律的量子力學(xué)理論。他的觀點不久就得到電子衍射等實驗的證實。他認為不僅光具有波粒二象性，所有的實物粒子，都具有波粒二象性。人類關(guān)于波粒二象性的認識并沒有停留于此，1924年愛因斯坦提48波動理論：光是頻率為ν的電磁波；

量子理論：一定頻率的光對應(yīng)一定能量的光子；

光的波、粒二重性,統(tǒng)一起來。E=HΝ之間的關(guān)系；波動理論：量子理論：光的波、粒二重性,統(tǒng)一起來。E=HΝ之492．光的波動性

實型的且與時間有關(guān)的麥克斯韋方程組光是電磁波，從與時間有關(guān)的麥克斯韋方程組出發(fā)，用極化密度P電場強度E

磁化密度M磁場強度H之間的線性關(guān)系，可導(dǎo)出波動方程和熟知的平面波解。2．光的波動性實型的且與時間有關(guān)的麥克斯韋方程組50其中是電荷密度，J是所有與極化無關(guān)的電荷產(chǎn)生的電流密度。法拉第定律安培定律電場的高斯定理磁場的高斯定律

在一個磁化密度為M及極化密度為P的介質(zhì)中，麥克斯韋方程組為其中是電荷密度，J是所有與極化無關(guān)的電荷產(chǎn)生的電流密51平面光波的波動表示式為E(r,t)=E0cos(ωt-k·r)H(r,t)=H0cos(ωt-k·r)求解方程組，可以得到光波具有不同的傳播形式：平面波、球面波和柱面波。E0和H0光波場電場和磁場強度的振幅；ω光波角頻率(ω＝2πν)；k光波傳播方向的波矢量。其大小k＝2π/λ;r為空間坐標。一維平面波是均勻介質(zhì)中波動方程的解。平面光波的波動表示式為E(r,t)=E0cos(ωt-k·r52可以證明:

平面光波具有橫波特性．電矢量的振動方向垂直于波的傳播方向

E(r，t)和H(r，t)相位相同、振動方向互相垂直。

E(r,t)=E0exp[—i(ωt—k·r)]H(r,t)=H0exp[—i(ωt—k·r)]為運算的方便。把波動式寫成復(fù)數(shù)形式光效應(yīng)是由電場強度矢量引起的,光波只用電場描述。可以證明:E(r,t)=E0exp[—i(ωt—k·r)53光的波動性---干涉、衍射及偏振等特性。頻率相同振動方向相同相位相同具有固定相位差相遇時，在相遇的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。當(dāng)光波間如圖，點著酒精燈，在其火焰上灑一些食鹽，使酒精燈便發(fā)出黃色的火焰。把帶肥皂液薄膜的金屬圈放在酒精燈旁適當(dāng)?shù)奈恢?，使眼睛恰能看到由薄膜反射而生成的黃色火焰的虛像。當(dāng)肥皂薄膜下垂到一定程度，就在虛像上出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。光的波動性---干涉、衍射及偏振等特性。頻率相同相遇54干涉條紋形成的原因：豎立的肥皂薄膜在重力作用下形成了上薄下厚的楔形。當(dāng)酒精燈的火焰照射到薄膜上時，分別從膜的前表面和后表面反射的兩列光波，它們頻率相同，方向一致，能產(chǎn)生干涉。不同單色光的薄膜干涉條紋

可見，波長λ越長，干涉條紋越寬干涉條紋形成的原因：豎立的肥皂薄膜在重力作用下形成了上薄下厚55白光的薄膜干涉條紋——彩色條紋肥皂泡和水面上的油膜所呈現(xiàn)的美麗色彩。白光的薄膜干涉條紋肥皂泡和水面上的油膜所呈現(xiàn)的美麗色彩。56光的波動性--光的衍射兩個主要特點，①光傳播方向會變，經(jīng)障礙物后會繞到其幾何陰影區(qū)域中去；②在幾何陰影區(qū)附近，波的強度會有起伏。光的波動性--光的衍射兩個主要特點，②在幾何陰影區(qū)附近，波的57生活中，極少發(fā)現(xiàn)光繞到障礙物后面去的衍射現(xiàn)象只有當(dāng)障礙物的尺寸與波長相近時，衍射現(xiàn)象才較顯著。在空氣中，無線電(10-103)米，可聞聲波(102-10)米，其衍射現(xiàn)象極為常見而光波波長在可見光區(qū)是(0.4-0.7)微米，故其衍射現(xiàn)象少見。生活中，極少發(fā)現(xiàn)光繞到障礙物后面去的衍射現(xiàn)象只有當(dāng)障礙物58自然光或非偏振光如果電場振動方向漫無規(guī)則，則該光為光波的偏振特性偏振光電場矢量具有一定的規(guī)則振動面線偏振光的振動方向與傳播方向構(gòu)成的平面。

部分偏振光園偏振光橢園偏振光自然光或非偏振光如果電場振動方向漫無規(guī)則，則該光為光波59在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于光線的偏振而引起的。在拍攝時加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡面，能夠阻擋這些偏振光，借以消除或減弱這些光滑物體表面的反光或亮斑。在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、603．光的相干性相干性問題，無線電波段中存在，由于無線電頻率比較低，它們的相干性非常好。3．光的相干性相干性問題，無線電波段中存在，由于無線電頻61對于光波來說，是電磁波，由于它的頻率高，它們的相干性較差，因此在那些與相干性有關(guān)的應(yīng)用中，必須討論這個問題。對于光波來說，是電磁波，由于它的頻率高，它們的相干性較差，因62光的相干性就是指在不同空間點、不同時刻的光波場的某些特性(例如光波場的相位)之間的相關(guān)性。時間相干空間相干光的相干有兩種類型光的相干性就是指在不同空間點、不同時刻的光波場的某些特性631）．時間相干性時間相干性是指同一空間點上，兩個不同時刻光波場之間的相干性.或者說是指沿著光傳播方向，離光源不同距離的兩點，在同一時刻光波場之間的相干性。t1t1t1t21）．時間相干性時間相干性是指同一空間點上，兩個不同時64時間相干性的含義從原理上，可以在光路上兩點通過兩個分束器取出部分光，考察信號間的相關(guān)效應(yīng)。兩個信號相關(guān)，則可以由一點的光電場(振幅、相位)確定另一點的光電場(振幅、相位)。或由空間一點某時刻的光電場確定另一時刻的光電場。時間相干性的含義從原理上，可以在光路上兩點通過兩個分65相干長度tC=LC/C，為相干時間，光波在該相干時間內(nèi)是時間相干的。tC愈大，光的時間相干性愈好。改變兩鏡間的距離時，干涉條紋將產(chǎn)生變化。當(dāng)鏡間距離增加到某一長度LC時，干涉效應(yīng)消失，這個長度稱為相干長度。光傳播速度c為常數(shù)，相應(yīng)該長度有一個光的傳播時間.相干長度tC=LC/C，為相干時間，光波在該相干時間內(nèi)是時間662）．空間相干性空間相干性是指在同一時刻、垂直于光傳播方向上的兩個不同空間點上的光波場之間的相干性。如果兩個信號相關(guān)，即可由一個空間點的光電場確定另一空間點的光電場。2）．空間相干性空間相干性是指在同一時刻、垂直于光傳播方67雙孔屏上存在著一個以O(shè)點為對稱中心的面積AC，只要S1和S2在AC之外，就不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。AC叫做相干面積。AC愈大，光的空間相干性愈好。空間相干性:光源理想點光源，屏上會看到清晰的干涉條紋。若固定光源到雙孔的距離R，改變兩孔的間隔，則干涉效應(yīng)變化，隨孔間距離增大，干涉條紋逐漸模糊。雙孔屏上存在著一個以O(shè)點為對稱中心的面積AC，只要S1和S268S1和S2處的場具有明顯相干性的條件是ΔxΔθ≤λ

表明，光源愈小，則具有空間相干性的張角Δθ愈大。式中Δθ是兩縫間距對光源的張角。S1和S2處的場具有明顯相干性的條件是表明，光源愈小，則69謝謝謝謝70光存儲技術(shù)的歷史較短，而發(fā)展很快。1972年，美國飛利浦公司演示了模擬式激光視盤。5.光存儲1993年下半年才付諸實用的新技術(shù)，也稱CD視盤。VCD的視頻壓縮和解碼技術(shù)是由美國人發(fā)明的，通過壓縮把一部電影的動態(tài)圖像和聲音壓縮到1.2G信息容量左右的光盤中去，并通過數(shù)字解碼技術(shù)把壓縮的電子信號重新播放出來。1982年，飛利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一臺數(shù)字式激光唱機。由于激光唱機（CD）進入家庭和只讀式光盤存儲器(CD--ROM)同個人計算機結(jié)合，VCD(CD視盤)──其全稱為Video─CD。光存儲技術(shù)的歷史較短，而發(fā)展很快。5.光存儲1993年下半年71DVD――全稱為DigitalVideoDISK數(shù)字視頻光盤機，它是1994年才誕生的新機種。從原理上來說，DVD與VCD沒有本質(zhì)的不同，DVD也是對電影畫面進行視頻壓縮，將壓縮的圖像儲存在光盤上。播放時DVD影碟機對光盤上的數(shù)字信號進行解碼，還原出圖像在顯示器上播放。一張盤只能儲存640MK的信息；DVD――全稱為DigitalVideoDISK數(shù)字視頻72目前光盤存儲技術(shù)中,載有信息的調(diào)制激光束通過物鏡聚焦于光盤存儲介質(zhì)層上記錄,由于物鏡離介質(zhì)較遠(毫米級)故稱為遠場記錄而存儲密度正比于所以要提高存儲的位密度,就要縮短激光波長和升高物鏡的數(shù)值孔徑.

記錄點的尺寸決定于聚焦光的衍射極限.在光的衍射極限下,光線的聚焦直徑(d)與光波長()成正比例而與鏡頭的數(shù)值孔徑(NA)成反比,即目前光盤存儲技術(shù)中,載有信息的調(diào)制激光束通過物鏡聚焦于光盤73CD(780nm，NA：0.45)DVD(650nm，NA：0.6)，Blu-rayDisc盤片(405nm，NA：0.85)光盤技術(shù)要提高記錄密度，可使用短波長激光或提高物鏡的數(shù)值孔徑使光點縮小，CD(780nm，NA：0.45)光盤技術(shù)要提高記錄密度，74光盤存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率的發(fā)展趨勢.光盤存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率的發(fā)展趨勢.75平板顯示器技術(shù)以液晶顯示器發(fā)展最快。液晶材料既具有液體的特點又具有晶體的許多特性。1964年，美國RCA公司發(fā)現(xiàn)液晶的多種光電效應(yīng)：賓主效應(yīng)、動態(tài)散射效應(yīng)和相移存儲效應(yīng)，為液晶顯示器、液晶光閥等器件的研制奠定了基礎(chǔ)。6平板顯示器等離子體顯示器、場致發(fā)光顯示器相繼問世并不斷的發(fā)展?，F(xiàn)在，平板顯示器以形成巨大的市場。

平板顯示器技術(shù)以液晶顯示器發(fā)展最快。液晶材料既具有液體的特點76是研究從紅外波、可見光、紫外光、X射線直至射線波段范圍內(nèi)的光波電子技術(shù)，是研究運用光子和電子的特性，通過一定媒介實現(xiàn)信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的技術(shù)。

信息：聲音、文字、圖像（動態(tài)和靜態(tài)）、數(shù)據(jù)、文件

信息的收集、處理、傳遞和顯示必須依靠載體。

例如，聲音是以無線電波（調(diào)幅或調(diào)頻）為載體實現(xiàn)無線電廣播。最通常的信息載體是：電子、光子什么是光電子技術(shù)？

是研究從紅外波、可見光、紫外光、X射線直至射線波段范77光電子學(xué)半導(dǎo)體光電子學(xué)導(dǎo)波光學(xué)激光與紅外物理學(xué)

相干光學(xué)

非線性光學(xué)光與物質(zhì)相互作用強光光學(xué)效應(yīng)電光效應(yīng)聲光效應(yīng)磁光效應(yīng)光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)發(fā)光效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)介質(zhì)導(dǎo)波效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)光電子技術(shù)光電子學(xué)半導(dǎo)體光電子學(xué)導(dǎo)782．電子學(xué)和光子學(xué)的比較：

電子學(xué)：Electronics是研究電子的運動、電子及其應(yīng)用的科學(xué)電子學(xué)發(fā)展歷程：

從愛迪生1883年實驗開始算起，經(jīng)120年發(fā)展電學(xué)---電子學(xué)---電子技術(shù)---電子工程---電子產(chǎn)業(yè)電子技術(shù)及其主要應(yīng)用：

器件：電子管、晶體管、集成電路（IC）等

應(yīng)用：電信、無線電廣播、電視、計算機等2．電子學(xué)和光子學(xué)的比較：79

光子學(xué)：Photonics是研究光子運動、光子作用及其應(yīng)用的科學(xué)。荷蘭科學(xué)家Poldervart1970年提出Photonics并定義為：“光子學(xué)是研究以光子為信息載體的科學(xué)”。錢學(xué)森：“光子學(xué)是研究光子的產(chǎn)生、運動和轉(zhuǎn)化的科學(xué)。”光子學(xué)：Photonics是研究光子運動、光子作用及80光子學(xué)發(fā)展歷程：從1970年P(guān)oldervart提出算起，也正經(jīng)歷：光學(xué)--光子學(xué)--光子技術(shù)--光子工程--光子產(chǎn)業(yè)光子技術(shù)及其主要應(yīng)用：器件：有源元件：激光器、光探測器、光放大器、光集成回路等無源元件：耦合器、調(diào)制器、濾波器、光波導(dǎo)等應(yīng)用：光子通信、光儲存、光計算機等

光子學(xué)發(fā)展歷程：從1970年P(guān)oldervart提出81電子和光子性質(zhì)的比較

電子和光子性質(zhì)的比較823．光子傳遞信息的特點：對比電子：（1）極快的響應(yīng)時間可用于超高速、寬帶通信：

光子靜止質(zhì)量為零、在真空中以光速運動，不受電路中RCL時間常數(shù)的限制。

光子響應(yīng)時間可短達10－15秒，即fs量級，而電子器件及系統(tǒng)最快的響應(yīng)時間為10－9秒，即ns量級，兩者相差100萬倍。這在將來的光計算機等關(guān)鍵技術(shù)中將發(fā)揮巨大作用。1990年美Bell3．光子傳遞信息的特點：83（2）傳輸信息容量大：

光子傳輸信息時具有時間可逆性、不具有高度空間局域性，使它可以形成向前和向后的共軛波，以補償光纖傳輸中所產(chǎn)生的崎變和失真。利用這方法理論上可實現(xiàn)無損耗通信。

目前光纖通信正從第二代1.31微米波段零色散單模光纖向第三代1.55微米波段低損耗色散單模光纖作換代發(fā)展。傳輸容量從1978年的10Gb/s.km以每年10倍速度提高，1986年達1Tb/s.km。（2）傳輸信息容量大：84理論已證明，一個光子在室溫下可攜帶30bit的信息量并隨溫度的下降而以指數(shù)形式增加，以至達到無限值。所以，理論上可以講：“光子通信有望借助一個光子將無窮多信息傳輸給無窮多受信者”。

理論已證明，一個光子在室溫下可攜帶30bit的信息量并隨溫度85（3）高抗干擾、高可靠性：

光子不帶電荷，光纖不和受外界電磁波相互作用，光纖通信具有高抗干擾、高可靠性。

光子與光子之間不容易發(fā)生交互作用，光束可以在光纖中交叉通過而互不影響，這個特性被利用來波分復(fù)用，使在一根光纖實現(xiàn)多波長通信，大大提高了光纖的通信容量和利用率。（3）高抗干擾、高可靠性：86（4）光儲存具有儲存量大、速度快、密度高、誤碼率低的優(yōu)點。

總之，超高速、抗干擾、大容量、高可靠性是光子技術(shù)的特點。（4）光儲存具有儲存量大、速度快、密度高、誤碼率低的優(yōu)點。87其原因：1.光子技術(shù)還不成熟，2.電子和光子是一對具有高度互補的“孿生兄弟”：電子能態(tài)的改變導(dǎo)致光子的發(fā)射，而光子被物質(zhì)吸收將引起電子系統(tǒng)能態(tài)的變化產(chǎn)生自由的電子。

光子學(xué)和電子學(xué)的關(guān)系實際上互相依存、互相補充、互相促進的。

光子學(xué)和電子學(xué)結(jié)合在一起稱為光電子學(xué)；因它應(yīng)用于信息領(lǐng)域所形成的主要技術(shù)、方法、工藝等統(tǒng)稱為光電子技術(shù)。必須指出：到目前為止完全脫離電子的全光子過程、光子技術(shù)和光子產(chǎn)業(yè)還很少。其原因：必須指出：到目前為止完全脫離電子的全光子過程、光子88

4.光電子技術(shù)的應(yīng)用：光電子技術(shù)以光和電相結(jié)合的嶄新技術(shù)進行信息的

收集、加工、發(fā)射、傳輸、接收、提取、儲存、顯示和分配等，

在工農(nóng)業(yè)、科技、軍事和生活等幾乎所有領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。4.光電子技術(shù)的應(yīng)用：89光電子技術(shù)的進展光的本性課件90目前光子技術(shù)在向微光子技術(shù)、光電集成技術(shù)方向迅速發(fā)展。它們代表了信息光子技術(shù)在微光、光纖通信、光計算、光信息儲存等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1．微光子技術(shù)的發(fā)展：

2．光電集成技術(shù)的發(fā)展：

3．光纖技術(shù)的發(fā)展：

4．光盤技術(shù)的發(fā)展：目前光子技術(shù)在向微光子技術(shù)、光電911．微光子技術(shù)的發(fā)展：

微加工--微工程--微電子、微機械、微光學(xué)●自聚焦透鏡的出現(xiàn)為微光學(xué)發(fā)展奠定基礎(chǔ)●陣列光學(xué)元件的發(fā)展開拓了微光學(xué)在信息領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

●集成微光學(xué)器件是微光學(xué)發(fā)展的新方向1．微光子技術(shù)的發(fā)展：922．光電集成技術(shù)的發(fā)展：微電子---IC光電子----OEIC微光子----PIC

超晶格理論

能帶工程

量子效應(yīng)光電器件

光電器件“革命”

超薄材料技術(shù)

態(tài)密度階梯分布---激子存在---非線性光學(xué)效應(yīng)---多功能光電器件：

量子阱激光器、垂直腔面激光器、自電光效應(yīng)器件、

光開關(guān)、光儲

存、光邏輯

介質(zhì)光柵發(fā)射器---DFB激光器----為PIC發(fā)展奠定基礎(chǔ)2．光電集成技術(shù)的發(fā)展：93各種OEIC器件：LD+PD（探測器）PD+GR（光柵）

LD+MD(調(diào)制器)PD+WG（光波導(dǎo)）

LD+OA(光放大器)PD+AP（放大器）

LD+GR（光柵）PIN－FET，PIN－HBTLD+WG（光波導(dǎo)）PIN－HEMT,SMS－HEMT各種OEIC器件：943．光纖技術(shù)的發(fā)展：

光纖應(yīng)用：通信介質(zhì)、傳感器、激光器、

醫(yī)療、

藝術(shù)

光纖發(fā)展方向：低損耗、多功能化

光介質(zhì)：損耗20dB/km降到0.2dB/km以下

多模光纖：偏注入技術(shù)、中心注入技術(shù)，

1Gb/s、2km

單模光纖：低成本化，0.2$/km

特殊光纖：摻稀土、色散管理、寬帶色

散補償、大面積、多芯、全

波、塑料

我國光纖產(chǎn)業(yè)：光纖芯生產(chǎn)嚴重不足，光纜產(chǎn)品過剩3．光纖技術(shù)的發(fā)展：95

4．光盤技術(shù)的發(fā)展：

光盤儲存的優(yōu)點：

高速、高儲存密度、高可靠性、高適應(yīng)性

光盤儲存的發(fā)展方向：

短波全光光盤、三維立體儲存4．光盤技術(shù)的發(fā)展：96一．光的本性1．光的波粒二象性

光學(xué)真正形成一門學(xué)科，反射定律和折射定律算起，這兩個定律奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。什么是光?光的本質(zhì)是什么?光是由什么組成的?人們認識光的本性經(jīng)過了艱難而又曲折的道路。一．光的本性1．光的波粒二象性光學(xué)真正形成一門學(xué)科，反射定97法國科學(xué)家笛卡兒，生于1596年，是近代科學(xué)技術(shù)史上一位有多方面成就的偉大學(xué)者，其思想影響了整個17世紀。

作為近代科學(xué)技術(shù)史上的偉大科學(xué)家，笛卡兒探索了科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域，取得了眾多科研成果。他用微粒子渦動理論說明太陽和行星的運動，發(fā)現(xiàn)了光折射基本定律；證明了宇宙永遠保存著同量的運動，提出了運動守恒定律；法國科學(xué)家笛卡兒，生于1596年，是近代科學(xué)技術(shù)史上一位有多98虎克和牛頓的關(guān)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(xué)，1672年牛頓在皇家學(xué)會闡述自己的觀點，認為白光經(jīng)過稜鏡產(chǎn)生色散，分成七色光，他將其解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(fā)現(xiàn)的意義，並威脅要離開皇家學(xué)會。虎克和牛頓的關(guān)係問題一直充滿了爭論。一般認為，兩人彼此存在較99牛頓的微粒說，光是直線傳播的微粒流。17世紀--兩種對立的學(xué)說。牛頓還進行了大量的觀察實驗和數(shù)學(xué)計算，現(xiàn)象，“牛頓環(huán)”的光學(xué)現(xiàn)象等等?！拔⒘Ｕf”這些微粒從光源飛出，質(zhì)量極小，忽略重力作用，在真空或均勻媒質(zhì)中做慣性運動，并且走的是最快速的直線運動路徑。白光是由各種不同顏色的光組成主張微粒說的牛頓一直將已完成的著作《光學(xué)》延遲到虎剋死後才出版，光學(xué)出版後，奠定了微粒說的統(tǒng)治地位。牛頓的微粒說，17世紀--兩種對立的學(xué)說。牛頓還進行了大量的100例如，為什么兩束光可以彼此交叉通過而互不干擾?微粒說也面臨著許多棘手的問題。研究牛頓環(huán)時，牛頓認識到了光的周期性牛頓主張中有一個假設(shè)，就是媒質(zhì)中光速比空氣中的光速大。例如，為什么兩束光可以彼此交叉通過而互不干擾?微粒說也面臨101惠更斯的波動說,光是在以太中傳播的波動。惠更斯波動學(xué)說，打破了當(dāng)時流行的光的微粒學(xué)說，提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理。惠更斯設(shè)想傳播光的以太粒子非常之硬，有極好的彈性，光的傳播就像振動沿著一排互相銜接的鋼球傳遞一樣，當(dāng)?shù)谝粋€球受到碰撞，碰撞運動就會以極快的速度傳到最后一個球。光的傳播方式與聲音類似，不是微粒說所設(shè)想的像子彈或箭那樣的運動?；莞沟牟▌诱f,光是在以太中傳播的波動?；莞共▌訉W(xué)說，打破102微粒說在解釋光線從空氣進入水中的折射現(xiàn)象時，需要假設(shè)；C水>C空氣這兩種學(xué)說都可以解釋一定的光學(xué)現(xiàn)象（光的反射和折射）。而波動說需要假設(shè)C水<C空氣當(dāng)時，人們還不能準確地用實驗方法測定光速因而無法根據(jù)折射現(xiàn)象去判斷它們的優(yōu)劣。微粒說在解釋光線從空氣進入水中的折射現(xiàn)象時，需要假設(shè)；10319世紀，光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，與微粒說格格不入，增透膜薄膜干涉鏡面檢測圓屏衍射圓孔衍射鋼針的衍射光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光確實是一種波19世紀，光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，增透膜薄膜干涉鏡104楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源(從一個點發(fā)出的光源)?，F(xiàn)在在紙后面再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明、暗交替的條紋，這個簡單巧妙的實驗所揭示出來的現(xiàn)象證據(jù)確鑿，幾乎無法反駁。無論微粒怎么樣努力，也無法躲開對手的無情轟炸：它就是難以說明兩道光疊加在一起怎么會反而造成黑暗。而波動的理由卻是簡單而直接的：兩個小孔距離屏幕上某點的距離會有所不同。當(dāng)這個距離是波長的整數(shù)值時，兩列光波正好互相加強，就形成亮點。反之，當(dāng)距離差剛好造成半個波長的相位差時，兩列波就正好互相抵消，造成暗點。理論計算出的明亮條紋距離和實驗值分毫不差。楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面105惠更斯的波動說惠更斯發(fā)展了波動理論。但是由于他把光看成像聲波一類的縱波，因此不能解釋偏振現(xiàn)象、干涉和衍射現(xiàn)象。但是光波的本質(zhì)到底是什么，是像水波？還是像聲波呢？惠更斯的波動說但是光波的本質(zhì)到底是什么，是像水波？還是像聲波106從這個觀念出發(fā)，他以嚴密的數(shù)學(xué)推理，圓滿地解釋了光的衍射，并解決了一直以來困擾波動說的偏振問題。他與D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的干涉，確定了光是橫波（1821）；他發(fā)現(xiàn)了光的圓偏振和橢圓偏振現(xiàn)象（1823），用波動說解釋了偏振面的旋轉(zhuǎn)；他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律，即菲涅耳公式；解釋了馬呂斯的反射光偏振現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)象，奠定了晶體光學(xué)的基礎(chǔ)。菲涅耳由于在物理光學(xué)研究中的重大成就，被譽為“物理光學(xué)的締造者”。菲涅耳采用了光是一種波動的觀點，但是革命性地認為光是一種橫波(也就是類似水波那樣，振子作相對傳播方向垂直運動的波)而不像從胡克以來一直所認為的那樣是一種縱波(類似彈簧波，振子作相對傳播方向水平運動的波)。從這個觀念出發(fā)，他以嚴密的數(shù)學(xué)推理，圓滿地解釋了光的衍射，并1071850年，法國物理學(xué)家傅科設(shè)計了一面旋轉(zhuǎn)的鏡子，讓它用一定的速度轉(zhuǎn)動，使它在光線發(fā)出并且從一面靜止的鏡子反射回來的這段時間里，剛好旋轉(zhuǎn)一圈。這樣，能夠準確地測得光線來回所用的時間，就可以算出光的速度。菲涅爾理論的這個勝利成了第二次微波戰(zhàn)爭的決定性事件。他獲得了那一屆的科學(xué)獎(Grand

Prix)，同時一躍成為了可以和牛頓，惠更斯比肩的光學(xué)界的傳奇人物。到了19世紀中期，微粒說挽回戰(zhàn)局的唯一希望就是光速在水中的測定結(jié)果了。因為根據(jù)粒子論，這個速度應(yīng)該比真空中的光速要快，而根據(jù)波動論，這個速度則應(yīng)該比真空中要慢才對。經(jīng)過多次實驗，傅科測得的光速平均值等于2.98×108米/秒。值得一提的是，傅科還在整個裝置充入了水，測定了光在水中的速度。他發(fā)現(xiàn)光在水中的速度與空氣中的速度之比近似等于3/4，正如等于水和空氣的折射率之比，水中的光速慢于真空中的光速，與微粒理論的預(yù)言相悖。1850年，法國物理學(xué)家傅科設(shè)計了一面旋轉(zhuǎn)的鏡子，讓它用一定108

麥克斯韋大約于1855年預(yù)言了電磁波的存在，發(fā)現(xiàn)電磁波的傳播速度與當(dāng)時已經(jīng)用精確的實驗室方法測得的光速非常接近。麥克斯韋沒有把這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)成一種巧合，他相信這其中必定有物理上的奧秘。于是，在麥克斯韋的腦海里，顯現(xiàn)了創(chuàng)造性的具有極其重大意義的新見解。1865年他預(yù)言了電磁波的存在麥克斯韋的電磁場理論將長期以來彼此獨立的電學(xué)、磁學(xué)與光學(xué)結(jié)合起來，實現(xiàn)了物理學(xué)中一次規(guī)模空前的大統(tǒng)一。但是，當(dāng)時人們對麥克斯韋電磁場理論的深刻含義沒有給予應(yīng)有的重視。但是波動內(nèi)部還是有一個小小的困難，就是以太的問題。光是一種橫波的事實已經(jīng)十分清楚，它傳播的速度也得到了精確測量，這個數(shù)值達到了30萬公里/秒，是一個驚人的高速。麥克斯韋大約于1855年預(yù)言了電磁波的存在，發(fā)現(xiàn)電磁波1091888年，德國年輕的物理學(xué)家赫茲用實驗產(chǎn)生了電磁波，證明了電磁波的存在。同年，赫茲用實驗測定了電磁波在空氣中的傳播速度，其結(jié)果與光在空氣中傳播速度相同。接著，赫茲又做了一系列的電磁實驗。做了干涉、衍射、偏振等項實驗。這一切都清楚地表明，電磁波的性質(zhì)與光波的性質(zhì)相同。赫茲的實驗，雄辯地證明了麥克斯韋電磁場理論的正確性，即證明了光的電磁波動理論的正確性，使人們對麥克斯韋在科學(xué)上取得的重大成就有了基本正確的估價。1888年，德國年輕的物理學(xué)家赫茲用實驗產(chǎn)生了電磁波，證明110光的電磁波動理論排除了機械以太困難。但是，代替機械以太的“電磁以太”也不能解釋光與其它物質(zhì)作用時的一些現(xiàn)象。人們形成了廣義光的概念，即將波長短于遠紅外線（λ≤1.0）的一切電磁波統(tǒng)稱為光。光的電磁波動理論，使人類對光的認識更加深化，認識范圍更加擴大。光具有波動性，光是電磁波。反常色散。電光效應(yīng)，泡克耳斯效應(yīng)。光的電磁波動理論排除了機械以太困難。但是，代替機械以太的“電111愛因斯坦康普頓光電效應(yīng)以及康普頓效應(yīng)等無可辯駁的證實了光是一種粒子．愛因斯坦康普頓光電效應(yīng)以及康普頓效應(yīng)等無可辯駁的證實了光是一112熱輻射是十九世紀發(fā)展起來的一個物理學(xué)新領(lǐng)域，它的研究得到了熱力學(xué)和光譜學(xué)的支持。十九世紀末，物理學(xué)正是從這個領(lǐng)域打開了一個缺口，導(dǎo)致了量子論的誕生。在熱輻射的研究中，熱輻射的輻射能量，特別是這一輻射的能量隨波長分布的特性，往往是物理學(xué)家研究的重點。熱輻射是十九世紀發(fā)展起來的一個物理學(xué)新領(lǐng)域，它的研究得到了熱113E=HΝ19世紀末，人們用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻射實驗的時候，出現(xiàn)了著名的所謂“紫外災(zāi)難”。雖然瑞利、金斯（1877—1946）和維恩（1864—1928）分別提出了兩個公式，但是和實驗相比，瑞利—金斯公式只在低頻范圍符合，而維恩公式只在高頻范圍符合。普朗克從1896年導(dǎo)出了一個和實驗相符的公式。為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進行的，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數(shù)值ε=hν。普朗克當(dāng)時把它叫做基本作用量子，h普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的物理常數(shù)，它標志著物理學(xué)從“經(jīng)典幼蟲”變成“現(xiàn)代蝴蝶”1918年諾貝爾物理學(xué)獎授予普朗克，以承認由于他發(fā)現(xiàn)能量子對物理學(xué)的進展所作的貢獻。E=HΝ19世紀末，人們用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻射實驗的114光不僅在發(fā)射中，而且在傳播過程中以及在與物質(zhì)的相互作用中，都可以看成能量子。愛因斯坦稱之為光量子，也就是后來所謂的光子(photon)。光子是人類繼電子后認識到的第二個基本粒子，不帶電，呈中性。因為電磁場是一種恒以光速c運動的物質(zhì)，它的靜止質(zhì)量為零。光不僅在發(fā)射中，而且在傳播過程中以及在與物質(zhì)的相互作用中，都115實物具有微粒結(jié)構(gòu)，電磁場也具有微粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電磁場的基本粒子就是光子。電磁場可以被看做是波動性和粒子性矛盾的統(tǒng)一體。它是一系列的波，同時又是光子的集合。體現(xiàn)其粒子性的能量和動量，與體現(xiàn)其波動性的頻率和波長不可分割地聯(lián)系在一起。結(jié)論愛因斯坦的光子論非牛頓微粒說的復(fù)舊，而是人類對于光和電磁場這類物質(zhì)認識上的一個飛躍。實物具有微粒結(jié)構(gòu)，電磁場也具有微粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電磁場的基本粒子116在反射、折射、干涉、衍射、色散等現(xiàn)象中，波動性往往成為主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像波。在黑體輻射、光致發(fā)光、光電效應(yīng)，以及其他一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象中，粒子性往往成為主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像粒子。不同條件下主要矛盾方面會發(fā)生轉(zhuǎn)化在反射、折射、干涉、衍射、色散等現(xiàn)象中，波動性往往成為主要矛117人類關(guān)于波粒二象性的認識并沒有停留于此，1924年愛因斯坦提出光子概念后不到20年，年輕的法國物理學(xué)家德布羅意提出了“物質(zhì)波”概念。論證了微觀粒子也具有波動性。實際上正是人們正確認識到了微觀粒子所具有的波粒二象性的特征，才建立起了描述其運動狀態(tài)變化規(guī)律的量子力學(xué)理論。他的觀點不久就得到電子衍射等實驗的證實。他認為不僅光具有波粒二象性，所有的實物粒子，都具有波粒二象性。人類關(guān)于波粒二象性的認識并沒有停留于此，1924年愛因斯坦提118波動理論：光是頻率為ν的電磁波；

量子理論：一定頻率的光對應(yīng)一定能量的光子；

光的波、粒二重性,統(tǒng)一起來。E=HΝ之間的關(guān)系；波動理論：量子理論：光的波、粒二重性,統(tǒng)一起來。E=HΝ之1192．光的波動性

實型的且與時間有關(guān)的麥克斯韋方程組光是電磁波，從與時間有關(guān)的麥克斯韋方程組出發(fā)，用極化密度P電場強度E

磁化密度M磁場強度H之間的線性關(guān)系，可導(dǎo)出波動方程和熟知的平面波解。2．光的波動性實型的且與時間有關(guān)的麥克斯韋方程組120其中是電荷密度，J是所有與極化無關(guān)的電荷產(chǎn)生的電流密度。法拉第定律安培定律電場的高斯定理磁場的高斯定律

在一個磁化密度為M及極化密度為P的介質(zhì)中，麥克斯韋方程組為其中是電荷密度，J是所有與極化無關(guān)的電荷產(chǎn)生的電流密121平面光波的波動表示式為E(r,t)=E0cos(ωt-k·r)H(r,t)=H0cos(ωt-k·r)求解方程組，可以得到光波具有不同的傳播形式：平面波、球面波和柱面波。E0和H0光波場電場和磁場強度的振幅；ω光波角頻率(ω＝2πν)；k光波傳播方