量子理论对光通信的贡献

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1、量子理论对光通信的贡献谢立存崔志敏郭青剑青龙广播电视局摘要：本文回顾了量子理论的发展过程和以量子理论为基础激光的产生、发展、应用状况，阐述了量子理论对光通信的贡献。关键词：量子理论激光光通信1、前言“通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似地再现另一点所选择的消息”，香农的信息论为通信技术的发展奠定了数学模型。贝尔发明电话（1876年）后，于1880年以弧光灯为光源，以大气为传输介质，由硒晶体作为光接收器件，成功地进行了人类首次光电话实验。虽然通信距离仅仅213米，但在贝尔看来，这是他所有发明中最伟大的发明。正如贝尔所希望的一样，现代通信技术正以光通信为基础，

2、成为人们生活中不可或缺的重要组成部分，同时向数字化、宽带化、综合化、智能化、个人化、开放性和标准化方向发展。由于光源和传输介质两方面因素的困扰，贝尔的光电话一直没有得到实际应用。后人着眼于传输介质的损耗特点，不断提高光纤的制造工艺，使光可以传输更远的距离；着眼于光源要满足频率稳定、单色性好等等苛刻的条件便于利用复杂的声像信号对光进行调制，使光可以传输更多的信息。量子理论为寻找合适的光源提供了革命性的支持。2、量子理论的起源和发展2.1普朗克量子假说量子光学的萌芽从基尔霍夫定律不能解释绝对黑体的单色辐出度按波长分布的曲线开始。基尔霍夫定律（18609年）指出：任

3、何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度绝对黑体的单色辐出度。这是经典物理学重要的定律之一，但后来大量的实验却与上述定律不相吻合，真实的实验结果是：当绝对黑体的温度增高时，单色辐出度的最大值向短波方向移动。（右图）经典物理学受到了挑战，当时物理学的课题要求如何从理论上找出符合实验曲线的具体函数，但40年的努力遭到失败。这时量子假说登上了物理史的舞台。通过深入分析，普朗克于1900年提出能量子假说：辐射物质中具有带电的线性谐振子，由于带电的关系，能够和周围磁场交换能量，这些谐振子，与古典物理学中不同，只可能处于某些特殊的状态，在这些状态中，相应的能量是某

4、一最小能量ε的整数倍，即：ε、2ε、3ε、……nε、……（n为正整数）对于频率为υ的谐振子来说，最小能量为ε=hυ（式中h特为普朗克恒量，量值为6.63×10-34J.S，υ为光频率），在辐射或吸收能量时，振子从这些状态中的某个状态跃迁到其它的一个状态。同时普朗克推导出全新的黑体辐射公式，并完全符合困扰经典物理学很长时间的实验曲线。普朗克假说打破了经典热力学对能量的描述：经典理论认为能量是连续的，而量子假说认为能量是不连续的。人们第一次意识到在微观领域，存在着与客观现象截然不同的规律和概念。2.2爱因斯坦方程早在电子被发现之前，就发现了光电效应。通过对光电效应

5、的研究，人们得出三条基本定律：一是，单位时间内，受光照射的电极上释出的电子数和入射光的强度成正比；二是，光电子的初动能随入射光的频率线性增加，而与入射光的强度无光；三是无论光的强度如何，如果入射光的频率小于受照电极的红限，就不会产生光电效应。三条定律均来源于严谨的实验，而后两条与光的波动说形成深刻的矛盾，波动说对光电效应实验中有关光强、红限以及照射时间等内容几乎完全不能解释。91905年，爱因斯坦在普朗克假说的基础上，进一步提出了光子假说，他认为：光不仅象普朗克已指出过的，在发射和吸收时，具有粒子性，而且光在空间传播时，也具有粒子性，光是一粒一粒运动的粒子流，

6、并且每个光子的能量也是ε=hυ，能流密度（单位时间内通过单位面积的光能）表达式为S=Nhυ（式中N为单位时间内通过单位面积的光子数）。爱因斯坦的光子假说对光电效应解释如下：金属中的自由电子，吸收一个入射光的光子能量hυ时，一部分用于消耗逸出功A，一部分转换为光电子的动能，即爱因斯坦光电效应方程：hυ=1/2mv2+A爱因斯坦成功地解释了光电子的动能与入射光频率之间的线性关系，圆满地解释了光电效应的伏安特性曲线等与光的波动说不相容的现象。2.3玻尔理论对于原子的结构，曾引起许多争论。1911年，卢瑟福在粒子散射实验的基础上提出正确的核型结构：原子中全部正电荷和几

7、乎全部质量集中在称为原子核的很小范围内，电子在周围绕核运动。卢瑟福的核型结构虽然建立在充分的实验基础之上，但与经典电磁理论产生了冲突，即从两个方面不能解释原子是稳定系统的实际。电子既然绕核运动，必然辐射能量，一是原子系统能量会逐渐少，频率也将逐渐改变，因此应该得到连续的光谱，但事实上掌握的氢原子光谱并不是这样，得到的是断开的谱线；二是电子本身辐射能量后，应沿螺旋线接近原子核，最后落到核上。这样说来卢瑟福模型理应不是稳定的系统。1913年玻尔在卢瑟福原子模型的基础上，把量子概念应用于原子系统。他提出定态的假设，即原子中的电子运转轨道不是随意的，动量矩必须满足量子

8、化条件。玻尔又提出原子发光过程是电子在