新世纪的光子学

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1、新世纪的光子学学科前沿讲座陈钱南京理工大学电光学院内容介绍一．光到底是什么---光的本性二．新世纪的光子学三．光子学的发展展望四．光电效应的应用---夜视技术一．光到底是什么----光的本性1．牛顿的光微粒说科学家牛顿提出著名的光微粒说：光是由极小的高速运动微粒组成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的质量最大，红光微粒的质量最小。利用这种学说牛顿解释了光的折射、反射和色散现象。但是，荷兰人惠更斯（1629～1695）于1678年提出波动理论来解释光的本性。他认为光的微粒理论无法解释光线可以相互交叉通过而互不影响，但这却是波的基本性质。一．光到底是什么----光的本性

2、2．麦克斯韦的电磁波理论揭示了光波其实是一种电磁波。麦克斯韦的电磁波理论解释了光的干涉、绕射和偏振现象；光在空气中的传播速度要大于光在水中的传播速度；波动理论的最后的一个难题----传播媒质问题。但是19世纪末起，一系列令人困惑的新的实验结果无法用麦克斯韦理论来解释，其中最典型的是光电效应实验----当紫外线这一类的波长较短的光线照射金属表面时，金属中便有电子逸出，这种现象被称为光电效应。一．光到底是什么----光的本性3．爱因斯坦的光量子理论爱因斯坦大胆假设：光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。每个光量子的能量也是E＝hν，根据相对论的质能关系式，每个

3、光子的动量为p＝E/c＝h/λ。微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能打出电子，就是说光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。这个现象用光的波动说是解释不了的。X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱却发现，除有波长不变的散射外，还有大于入射波长的散射存在，这种改变波长的散射称为康普敦效应。光的波动说无论如何也不能解释这种效应。一．光到底是什么----光的本性4．光的本性的进一步探索光一方面具有波动的性质，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性质，如光电效应等。这两方面的综合说明光不是单纯的波，也不是单纯的粒子，而是具有波粒二象性的物质。这是认识上的不断

4、加深而得到的结论。应该注意这也还不是最后的答案。对于光的本性，虽然经过这么多年的探索，我们所知道的也的确是太少了。光到底是什么？是在某一时刻表现为粒子，而在另一时刻表现为波？还是完全不同于我们现在所知的某种物质？这些问题也是当今的科学家们在苦苦思索的问题。二．新世纪的光子学1．信息化时代的三大标志随着21世纪的到来，人们进入了“信息化时代”。它的含义是指进入21世纪后社会上每个成员的生活、工作无不与信息的传输、重组、分析密切相关。所谓信息化时代，社会运作对信息量的巨大需求有三大标志：传输容量大----以达到每秒太比特为标志；处理速度快----以达到皮秒量级为标志；存储密

5、度高----以达到太位元量级为标志。简而言之，21世纪的社会将是以三“T”为起点的高度信息化社会。二．新世纪的光子学2．“光子”的概念关于“光子”的概念，自爱因斯坦对于光电效应的发现和解释，以及其后有关原子、分子系统受激与自发辐射的论述，就巳经引入了。由于光的产生大都起源于原子体系(包括固体)中能级间电子跃迁能量的释放，因此就其本质来说光的产生是以一份份能量辐射的形态出现的，所以光又呈现为某种能量单元的粒子特征，即为光量子或光子。科学家们发现，电子学中变频、混频、调制、解调以及通信与信息处理等都可以在光频段实现。面对这样多的事实，并考察电学发展到电子学的几十年的历史，人

6、们自然会提出由光学向光子学开拓的问题。二．新世纪的光子学3．“光子学”的定义关于光子学的定义、研究内容与范围，还没有一致的认识。但可以看出，研究以光子作为信息载体和能量载体，包括光与物质(光子与光子、光子与电子)的相互作用及能量转换等诸多基本问题，是这一学科的基本内容。“光子学”是研究光子的产生、运动和转化的一门新兴的应用基础性学科。它研究光子的产生、传输、控制和探测，光子存载信息的变换和处理，光与物质相互作用等问题。笼统地说，“光子学”较为侧重于研究光子的微观行为规律，其应用范围从能量发生到通信与信息处理。二．新世纪的光子学4．信息与光子二者之间的关系信息化的技术基础

7、的要求可归结为两大方面：（1）要求信息密度越来越高，这促使人们开发更短波长的信息载体即光波，而且光波的运用由红外向短波紫外方向发展。例如，在DVD光盘中，若以蓝光发射的激光器代替红光发射的激光器，其光学数据存储量将增加约2.5倍。（2）数字化的要求更加迫切，数字化比模拟量更准确，容易合成，容易压缩。光子技术在信息的探测、采集、处理、传输、存储及显示等诸多方面都显现出其突出的优点，具有很强的竞争力。实现以三“T”为起点的高度信息化，离开了“光子”是很难想象的。二．新世纪的光子学5．光子技术优越性----（1）器件响应和系统处理速度快光开关器