光子学基础报告
光子学的研究和应用
光子学的研究和应用光子学，是研究光的性质、光与物质相互作用和光的应用等领域的学科，也是光电子学、光波导技术、激光技术、光纤通信和信息处理等现代科技的基础。
随着科学技术的不断进步，光子学的研究和应用也得到了迅速发展，成为当今世界科技领域的热点之一。
本文将从光子学的基础原理、研究领域和应用等多个方面来探讨其意义和未来发展。
一、光子学的基础原理光子学的基础原理源自量子力学中光子的概念。
光子是电磁波的量子，是一种无质量、无电荷的粒子，具有波粒二象性。
光子的能量与波长成反比，频率与能量成正比。
在光子学中，研究的对象包括光的传播、衍射、干涉、衰减等现象，主要涉及光的电磁波特性和光与物质的相互作用。
二、光子学的主要研究领域1. 激光技术：激光是一种特殊的光源，具有单色性、相干性和高能量密度等特点，被广泛应用于制造、医疗、军事等领域。
激光是基于光子学原理研究的产物，是光子学中最为重要的领域之一。
2. 光波导技术：光波导是一种基于光子学原理的技术，是将光信号在介质内传输的一种方法。
与传统的电路相比，光波导具有传输速度快、抗干扰能力强、数据传输量大等优点，被广泛应用于通信、医疗、高速计算等领域。
3. 光电子学：光电子学是研究光与电子之间相互作用的学科，涉及照相、光电效应、激光照射、光电晶体等多种内容。
光电子学的研究成果被应用于光通信、医学、材料科学等领域。
三、光子学的应用1. 光纤通信：光纤通信是利用光波在光纤中传输信息的一种通讯方式，是光子学应用的重要领域之一。
与传统的电缆相比，光纤通信具有传输速度快、数据量大、抗干扰能力强等特点，在现代通讯中占据重要地位。
2. 医疗：激光技术被广泛应用于医学领域，如激光手术、激光治疗、激光诊断等。
激光在医学领域的应用不仅提高了医疗诊疗效果，还减少了患者的痛苦。
3. 制造业：激光被广泛应用于工业生产中，如激光打标、激光切割、激光焊接等。
激光在制造业中的应用提高了生产效率、降低了成本、提高了产品质量。
光子学基础—第二章
则有 I d
I 0
exp
5102 10
1.65
25
指数增益系数--数字的例
(续上题) 假设激光棒直径为 10mm 激光束从中央轴线来回反射 十次再溢出端面。试光束的发散角? 和激光棒的放大增益? 解 光束角为
tan 5mm 180 0.286 10 100mm
态1的粒子受激 (st) 跃迁到激发态 2 的几率为：
W12 st B12
• 如果仅仅存在自发辐射跃迁和受激吸收跃迁这两个动 作，是导不出普朗克公式的。爱因斯坦认为应当存在
第三个动作--受激辐射跃迁。
10
受激辐射的爱因斯坦理论
• 受激辐射跃迁
在外场〖辐射能量密度也是ρ()〗的作用下，处
• 自发辐射跃迁
• 自发辐射的跃迁几率A21 表示从态 2 向下自发跃迁到态 1 的几率，即态 2
的单位体积 粒子数 n2 的减少率 -d n2 /d t 等于
n2A21
故有：
A21
1 n2
dn2 dt
sp
9
受激辐射的爱因斯坦理论
• 受激吸收跃迁
在外场（辐射能量密度为ρ()）的作用下，从基
B12＝B21
A21 / B21 = 8πn3hν3 / c3
二式成立时，爱因斯坦三个动作的理论就成立，这就 证明受激辐射的存在。
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受激辐射的爱因斯坦理论-----小结
在二个能级之间，只有存在自发辐射，受 激吸收和受激辐射三个动作并达到平衡时，爱 因斯坦的辐射公式才与普朗克的黑体辐射定律 一致。
2
光子寿命tc -谐振腔的寿命即谐振腔中储存的腔模能量E 下降到1/e的时间。
第7章 光子学基础
第十七章 光子学基础传统光学主要是研究宏观光学特性，如光的折射、反射、成像及光传播时的干涉、衍射和偏振等波动性质，而未去探究其微观的物理原因。
然而随着光学的发展，人们逐渐地注意研究光与物质(包括光子与光子)相互作用的微观特性，以及与这种微观特性相联系的光的产生、传播和探测等过程。
同时，也逐渐注意研究光子承载信息的能力，以及它在承载信息时的处理和变换等基础问题。
现在人们用光子光学（Photon Optics ）或光子学(Photonics)来概括这一领域的研究。
光子学在现代科学技术中的作用越来越显重要。
本章结合光电效应，引入光子学中的基本概念和关系式，讨论电磁场的量子化和光子的性质，并介绍两个应用。
第一节 光的量子性一、光电效应与爱因斯坦光子学说(一)光电效应的规律1887年赫兹在题为“关于紫外光对放电的影响”的论文中首先描述了物体在光的作用下释放出电子的现象，这就是通常所说的光电效应。
一般采用图16-1a 的装置观察金属的光电效应。
电极K 和A 封闭在高真空容器内，光经石英小窗照射到金属阴极K 上。
当电极K 受光照射时，光电子被释放出并受电场加速后形成光电流。
实验发现光电流的大小与照射光的强度成正比，照射光中紫外线越强，光电效应越强。
用一定强度和给定频率的光照射时，光电流i 和两极间电位差u 的实验曲线如图16-1b 所示，称为光电流的伏安特性曲线。
当u 足够大时，光电流达到饱和值m I ；当u ≤0u 时光电流停止（0u 称为临界截止电压）。
总结所有的实验结果，得到如下规律：(1) 对某一光电阴极材料而言，在入射光频率不变条件下，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。
(2) 光电子的能量与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关，频率越高，光电子的能量就越大。
(3) 入射光有一截止频率0 （称为光电效应的红限）。
在这个极限频率以下，不论入射光多强，照射时间多长，都没有光电子发射。
不同的金属具有不同的红限。
光子学基础知识
光子学基础知识光子学是研究光的产生、传播和控制的学科，是光学的一个重要分支。
光子学及其应用在现代科技领域中发挥着重要作用，如通信技术、材料科学、生物医学等。
本文将介绍光子学的基础知识，包括光的性质、光的传播、光的相互作用等内容。
一、光的性质光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
根据电磁谱，光波长范围从红外线到紫外线。
光的波长决定了光的颜色，短波长的光呈蓝色，长波长的光呈红色。
光的粒子性可通过光子来描述。
光子是光的能量量子，具有能量和动量。
光子的能量与光波长成反比，即能量越大，波长越短。
光子的动量与光的频率成正比，即频率越高，动量越大。
二、光的传播光的传播有两种方式：直线传播和衍射传播。
直线传播发生在光在均匀介质中传播时。
在同一介质中，光的传播是直线传播。
当光从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
根据斯涅尔定律，入射角、传播介质的折射率和出射角之间存在一定的关系。
衍射传播发生在光通过边缘或孔径时。
当光通过一个小孔或扩展到一个尺寸与其波长相当的孔径时，光波会发生衍射现象。
衍射使得光以扩展的方式传播，形成衍射图样。
三、光的相互作用光与物质之间存在多种相互作用，包括吸收、反射、折射和散射。
吸收是指当光与物质相互作用时，光的能量被物质吸收并转化为其他形式的能量，如热能。
物质的颜色是由其吸收和反射特定波长的光所决定的。
反射是指光在遇到物体表面时，一部分光被物体表面反射回来。
反射现象使我们能够看到周围的物体。
根据光的入射角和物体表面的性质，反射可以分为漫反射和镜面反射两种。
折射是指光从一种介质传播到另一种介质时，发生方向的改变。
折射现象可通过斯涅尔定律来描述，根据入射角和两种介质的折射率之间的关系。
散射是指光在与物质微观结构相互作用时，改变传播方向并散射到不同的方向。
散射现象是太阳光在大气中形成蓝天和彩虹的原因。
四、光子学的应用光子学在众多领域中有着广泛的应用。
在通信技术中，光纤通信是一种高速传输信号的方法。
光子学基础—第二章
测不准原理(Uncertainty Principle)
己经看到微观粒子具有波粒二象性，它不象经典粒子 是决定论的，一但把粒子的位置(力学量)确定准确，其 波长或频率就会广延到很大的范围(广延量)。所以微观 粒子不是决定论的只能说出粒子到达某处的几率。
海森堡（1901－1976年）
因“提出量子力学中的测不准 原理” 获得1932年诺贝尔奖。
18
当然，你也可以给出介于两者之间的情况，波是可以相当 好的定域的，波长也可以相当好定义的，但是这里存在一 个不可避免的权衡选择：波的位置越精确，波长就越不精 确，反过来也一样。 粒子的动量同 波长的联系由德布罗意公式给出。这样对我 们通常的观测有：粒子的位置确定的越精确,它的动量就越 不精确。
19
23
测不准(不确定性)原理-----数字的例 (续)
接上题，试求受激态的能级的不确定度(线宽)和能级 高度? 解
h 6.6 1034 1 7 能级的不确定度E 10 eV 8 4t 4 10 3
E E h E E 0.3333 10 7 能级高度E 0.83 eV 8 4 10
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本章总结
本章的学习重点：光的波粒二象性；粒子的波粒 二象性；测不准原理 学习难点：测不准原理的理解 教学要求：掌握光与粒子的波粒二象性，理解测 不准原理
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The End
I 10 m g A c S
式中 m = 23 Mp, g = 10 (m / s2)为重力加速度, S为 Na原 子的截面积。将各参数代入上式得：
I 146 103 (瓦 / 米2 )
这就是说当光强达到0.146(瓦 / 毫米2)时, Na 原子上受 到的光压力是重力的十倍。
物理学中的光子学基础原理及其应用研究
物理学中的光子学基础原理及其应用研究光子学是研究光子特性与行为的物理学分支，其已成为众多领域中的必要工具，包括生物医学工程、探测技术、通信技术等。
光子学的发展离不开对光子学基础原理的探究和理解。
本文将从基础原理和应用两个方面介绍光子学的研究内容。
光子学基础原理光子是光学中的基本粒子，其呈现出与量子力学相似的行为特性。
光子的能量与频率之间呈现出直接的比例关系，这使得光子和电磁波有着密切的关系。
光的传播方式及其与物质的相互作用是光子学中的重要研究内容。
在透明介质中，光传播呈现出折射和反射等现象。
而在种种介质中，光子的运动路线会被散射、吸收、散热等影响而发生改变。
这些影响会使得光传播速度受到限制，这种现象被称为光速减慢。
光子学基础理论的一大特点就是具有很强的实验性质。
通过实验可以探究光子与介质相互作用的性质，并得到各种实用的物理规律。
光子学应用研究光子学的应用领域广泛，其中与我们的生活密切相关的则是信息技术领域。
光通信技术中，光子可以传输更多的信息，速度更快，且可穿透更长的距离。
光纤传输和激光照射技术则是两种常见的应用案例。
光子学在能量和环境技术中也较为重要。
光子可以在新型太阳能电池中扮演角色，同时也可以用于半导体材料制备中。
在生物医学工程方面，光子学可用于探测人体内部疾病的发生和分布情况，同时也可以用于治疗一些癌症。
总而言之，光子学的研究内容十分丰富，其涵盖了光子的基础理论以及光物理学、光谱学、光电子学等多个领域。
光子学的发展是在人们不断探索物理学基础原理的基础上实现的，而由此得到的新技术和新领域的研究，将为人类的生产和生活带来更多的便利和贡献。
生物医学光子学实验报告
生物医学光子学实验报告实验一单光子计数实验一．实验目的1.掌握一种弱光检测技术2.了解光子计数方法的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题二．实验原理光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。
一个光子的能量可用下式确定E=h v 0=h c/λ 式中c=3.0 × 108m/s 是真空中的光速 h=6.6 × 10-34J.S 是普朗克常数 光流强度常用光功率表示，单位为W 。
单色光的光功率可用下式表示：P=R × E式中R 为单位时间通过某一截面的光子数 光子计数器的组成光子计数器的误差及信噪比 泊松统计噪声 暗计数累计信噪比 三．实验装置计算机，单光子计数器，单色光产生装置 四．实验步骤Rt N N N SNR η===dd R R t R t R Rt Rt SNR +=+=ηηηηddt dt d t pR Rt t R N N N N N N N SNR 2+=+-=+=ηη1.将冷却水管接在水龙头上并开始通水，打开光子计数器开关。
两分钟后打开制冷器开关。
2.约20分钟后，待PV显示值与SV显示相符合后，打开计算机开始采集数据。
3.开机后，在桌面上打开“单光子计数”文件，将模式项为“阈值方式”，改变参数。
然后点“开始”开始采集数据，得到一曲线，取阈值。
4.将模式改为“时间方式”，将阈值定为前面测出的，采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存，所得数据求平均，即得到背景计数Nd。
5.然后将光源的电源打开，转动光强调节纽，将光强设定为某一强度。
开始采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存。
将所需数据求平均，即得到总计数Nt。
6.根据求信噪比。
7.改变光源强度，再重复5,6步，看信噪比有何变化。
8.实验结束后，关闭单光子计数器及制冷器开关，关闭计算机与光源电源。
2分钟后再关闭水源。
五．实验结果与分析在“阈值方式”时，测得阈值为20。
光强：1时间（ms） 1.5 7.1 230.0 485.3 731.7 平均光子数3067 3046 3039 3010 2295 3031 (个)光强：2.2时间（ms）2600 4200 9500 14100 18000 平均3696 3697 3762 3651 3680 3686 光子数(个)光强：3.3时间（ms）5500 7500 8600 9900 12000 平均4020 4005 3943 4034 4004 4001 光子数(个)光强：5.0时间（ms）400 4000 8300 13100 16500 平均4610 4591 4605 4613 4629 4610 光子数(个)光强：8.1时间（ms）6700 10300 2000 13600 16800 平均光子数5650 5721 5644 5699 5742 5691 (个)光强：9.6时间（ms）2400 5300 7000 8400 9700 平均6249 6172 6195 6210 6139 6193 光子数(个)所以：SNR1=7.99 SNR2=11.57 SNR3=18.06SNR4=28.48 SNR5=32.92结果分析：从光强与信噪比的关系曲线图中可以看出，信噪比与光强基本成正比关系。
光子学基础—第一章
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。
恒星 形成Einstain环
最近英国天文学家观察
太阳
到 “爱因斯坦环”，这种 现象被看作 “引力透镜”。
10
因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出3～4个
量级，即千倍以上 。
16
光子具有的优异特性
光子具有极快的响应能力 ：
电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s) ，电子通信 中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量级 。 光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级 ，小 于10个飞秒(fs,10-15s)量级， 光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百 个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s)
v c
vc
23
在人们对光学现象逐渐认识过程中围绕
微粒说 波动说
光的本质是什么？
牛顿
能量子，光量子假设
普 朗 克 爱 因 斯 坦
惠更斯
几何光学
波动光学 干涉，衍射
直线传播 最简单光理论
光的波粒二向性 量子光学
麦克斯韦波动方程
进行漫长曲折讨论……
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。
这是实验事实，反复测量建立起来的，但是还没人能 从经典理论推导出。 普朗克（Plank德国）1901年假设： 发射辐射的物质是 有一些谐振子组成的，这些谐振子具有的能量均以h为 单位，因此，相邻振子彼此间能量差为等间隔h 。引入 的能量子h就是光子的概念。
生物光子学光子学与光谱学基础演示文稿
荧光寿命
荧光寿命表示荧光强度的衰减，是指分子受到光 脉冲激发后返回基态之前在激发态平均停留的时 间，通常小于100ns，它主要依赖于被测荧光团所处的 微环境变化。
一个简单的荧光衰减是单指数的，即
I(t) Ioekt
I(t)是样品受到光脉冲激发后t时刻测量得到的强度， I0是t=0时的强度， k为
2.5 分子能级结构与光谱
• 荧光的量子产额
– 荧光的量子产额是发射光子数与吸收光子数比率的一种量度。 在没有非辐射衰减时，量子产额等于1，即激发态只以辐射（荧 光）过程衰减；
– 定义式：
– 荧光的量子产额是测量分子聚合物中荧光团周围环境的最好手 段。
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• 做拉曼散射前，被测样品无需特殊处理，可直接利用被测样品的自然形态（液 态、固态、胶状）；
• 由于可见光波段的激光可以聚焦到微米量级大小，因此可以获得 微米颗粒（比如一个细胞大小）的拉曼光谱；
• 利用与待测分子最大吸收峰相近的激光，通过共振增强拉曼散射，
可以选择性地探测特定的化学片段或亚细胞组分。
2.5 分子能级结构与光谱
• 振动能级光谱
– 拉曼散射：入射和散射光子的能量差为分子振动能级差；
• Stokes拉曼散射：散射光子的频率低于入射光子 （v>v） ，分子从低振动能级跃迁到高振动能级；
• 反Stokes拉曼散射：散射光子的频率高于入射光子 （v<v），分子从较高振动能级跃迁到较低振动能级；
– 振动能级光谱包括：
• 红外光谱（吸收）：吸收一个红外或远红外光子会产生振动跃迁；
• 拉曼光谱（散射）：通过拉曼散射产生振动跃迁。
nphoton = nvibration
生物光子学报告
光与生物组织间的作用摘要：生物光子学，是由生命科学和物理科学这两者交叉融合所形成的一门新兴的交叉学科。
本文主要介绍生物光子学中光与生物间的相互作用，更偏重与激光与生物之间的相互作用，例如激光生物热效应、激光生物光化效应、激光生物机械效应、激光生物电磁场效应、激光生物刺激效应等。
激光对生物体的作用是医学应用的物理基础，所以本文还介绍了其在生物医学中的应用—激光治疗。
正文光是地球上一切生命的主要能量来源,没有光不可能产生和存在生命物质. 光在生命的起源与进化,生物结构形态变异和功能发展中起着不可缺少的作用. 由于激光具有其他任何光源所不可能有的优异特性,自然和生命物质结下了不解之缘。
由于激光的出现大大改变了人类对自然界的认识能力,为人们认识和改造自然,特别是为探索生命物质提供了一种强有力而又特别精确灵敏的工具,并使生命科学的许多领域取得了突破性的进展,甚至派生出新的学科或学科分支。
而在光与生物组织间的作用又以激光最为激烈，各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。
一、激光与生物组织之间的相互作用1.激光生物热效应激光作用于生物体会使其局部温度升高，称为激光生物热效应。
生物体生热机制视光子能量而定，低能量光子可引起生物体直接生热，而高能量光子多经过一些中间过程使生物体生热,故生热的途径有两种，其一为吸收生热，生物分子吸收激光特别是红外激光光能，本身运动动能增加，温度升高。
其二为碰撞生热，生物分子吸收激光光能跃迁到某一激发态，在返回到原来的能态或其他低能态时与周围其他生物分子发生多次碰撞，同样使周围分子运动动能增加温度升高。
激光生物热效应的对外表现为生物体局部温度升高、汽化、切开、凝固等。
2．激光生物光化效应激光生物光化效应又称激光生物光化反应,是指在激光的作用下,使生物物质产生理化反应,或使其反应定向及加剧等. 生物物质所以能生长发育、修复和繁育等,其中生化反应是主要因素之一. 激光生物光化反应可分为原初光化反应和继发光化反应两个阶段,当生物分子吸收一个或多个光子能量以后,受激跃迁到某一激发状态,在它返回到基态又不返回到原来的能量状态的驰豫过程中,多出来的能量消耗在本身化学键断裂或形成新键上所发生的化学反应称为原初光化反应. 通常在此过程中形成大多具有高度化学活性的中间产物,这些极不稳定的中间产物继而进行化学反应直至形成稳定产物,这种光化反应称为继发光化反应.3.激光生物机械效应当生物组织吸收激光能量时,可近似地把生物组织当作单相水样溶液,可能发生两种现象:如果能量密度超过某一阈值,就会产生蒸发并伴有机械波;若能量密度低于该阈值,就只产生机械波而无蒸发. 另外激光可通过电场与生物物质起作用,可产生电致伸缩,自聚集,自俘获及受激布里渊散射等现象. 这些现象可伴生机械作用。
光子学知识点
光子学知识点光子学是研究光和光的行为的科学领域，它涵盖了光的产生、传播、操纵和检测等方面的知识。
光子学在现代科技和工程中扮演着重要的角色，它的应用涵盖了通信、能源、医疗、材料科学等众多领域。
本文将以以下几个方面介绍光子学的知识点。
一、光子学基础知识1. 光的本质和特性：光是一种电磁波，具有波粒二象性。
它可以在真空中传播，速度为光速。
光的频率和波长决定了它的颜色和能量。
2. 光学元件：光学元件是用来控制和操纵光的器件，常见的有透镜、棱镜、偏振器等。
它们可以对光进行聚焦、分散、偏振等操作。
3. 光学传播和衍射：光可以在介质中传播，并且会发生衍射现象。
衍射是光波遇到障碍物或通过小孔时发生的弯曲和干涉现象。
4. 光与物质的相互作用：光与物质之间存在着相互作用，主要包括吸收、散射、干涉和折射等。
物质的光学性质（如折射率）会影响光的传播和操控。
二、光的产生与检测1. 光的产生：光可以通过多种方式产生，常见的是激光的产生。
激光是一种高度聚焦、单色、相干的光束，它具有独特的性质和广泛的应用。
2. 光的检测：光可以通过光电效应被探测和测量。
光电效应是光的能量被物质吸收后激发电子从固体表面发射出来的现象，常见的探测器包括光电二极管、光电倍增管等。
三、应用领域1. 光通信：光子学在通信领域的应用极为广泛，光纤通信成为现代通信的主要方式，具有高带宽、低衰减和抗干扰等优势。
2. 激光技术：激光技术在医疗、测量、加工等领域有重要应用，如激光手术、激光雷达、激光切割等。
3. 光学显微镜：光学显微镜是一种通过光的折射和衍射原理观察样品的工具，广泛应用于生物医学、材料科学等领域。
4. 太阳能光伏：光子学在太阳能光伏领域的应用有助于提高光伏电池的效率和成本效益。
5. 其他应用：光子学还在光储存、显示技术、光学传感等方面有深入研究和实际应用。
结语光子学作为一门重要的科学学科，对我们的生活和科技发展产生着深远的影响。
本文从光子学的基础知识、光的产生与检测以及应用领域等几个方面介绍了相关的知识点。
物理学中的光子学
物理学中的光子学光子学，指的是研究光子性质的一门学科。
在物理学中，光子属于基本粒子之一，是电磁辐射的一种形式。
光子学的研究对象是光子的光学、电学、热学等性质及其应用。
下面将对光子学做一些简要的阐述。
一、光子学的起源光子学的起源可追溯到量子力学的诞生。
20世纪初，科学家们在研究光和辐射时发现，光和辐射是由一个个能量分立的“小颗粒”组成的。
这些“小颗粒”被称为光子。
光子学的概念也由此而来。
二、光子学的基本原理光子学的基本原理是量子力学。
光子被认为是很小的能量分立单位，具有粒子的特性。
与此同时，光子也具有波动的特性。
这种既有粒子又有波动的特性被称为波粒二象性。
光子学的研究重点是研究光子在物质中的相互作用和光子的运动规律。
三、光子学的研究领域1. 光子电子学光子电子学是研究光子和电子相互作用的学科。
其中最广泛的应用是激光技术。
利用激光束进行切割、打孔、焊接等加工过程已成为现代工业中不可或缺的一部分。
2. 光子生物学光子生物学是研究光子在生物体中的应用及其生物效应的学科。
因为光子能与生物体互相作用，可以用于医学治疗，在癌症治疗、心脑血管病等方面都具有广泛的应用前景。
3. 光子计算机光子计算机是利用光子来进行数据传输和计算的一种新型计算机。
它将光转化为数字信号，并将其传输到各个组件中。
相比传统计算机的电子传输方式，光子计算机具有更高的传输速度和数据处理能力。
4. 光通信技术随着互联网的发展，人们对通信技术的需求也不断增加。
目前，光通信技术已成为了高速通信技术的主流。
光通信技术利用光子进行数据传输，其传输速度远高于传统的通信方式。
同时，光通信技术还具有更好的安全性。
四、光子学的发展前景随着近年来科技的不断发展，光子学已成为应用前景极为广阔的一个领域。
光子学不仅在通信、医疗、工业等领域具有广泛的应用前景，还被广泛应用于探测、测量、显微成像等领域。
总之，光子学在物理学领域中占有相当重要的地位，是一个十分复杂和高深的学科。
光子学基础
光 纤 通 信
光纤通信使互联网 从初期的军用研究 普及到全社会和千 家万户
通信容量
Gb/s 1000
光纤通信带宽发掘史
波分复用技术!
WDM 点 对点
WDM 点 对点
WDMBandwidth Mining ! WDM全光网？
100
(Multi- Wavelength P to P)
10
1.0
单波长点对点 (Single Wavelength P to P)
1. 光子的特性
（3）光子具有极强的互联能力与并行能力 电子之间有相互作用，它们之间无法交联， 成为限制电子信息处理速率与容量的一个 主要因素。另外，在电子技术中，电子信 息也只能串行提取、传输和处理，这是另 一个限制电子信息处理速率和容量的主要 因素。 光子不带电，具有良好的空间相容性。
1. 光子的特性
2. 光子学的提出
1970年在第九届国际高速摄影会议上，荷兰科学家 Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他 认为，光子学是“研究以光子为信息载体的科学。 1973年 法国举办了一次国际光子学会议，出版了« 光子学»一书，汇集了半导体激光、材料的非线性 效应等会议论文。 1978年第13届国际高速摄影会议更名为国际高速摄 影和光子学会议。
激光医疗
激光和光纤
（传像光纤和传能量光纤）
可 能帮助找寻到攻 克 危害人类的 心赃病,癌症 等 疾病的方法 激光 诊断, 手术和治 疗： 激光层析造影 激光荧光 诊断 光动力学治疗(PDT)技术 激光 心赃 打孔 激光光纤内窥镜手术
...
量子信息科学
量子力学曾经间接地导致晶体管，激光等的发 明, 但是它并未作为一种“资源”而直接应用. 量子信息学是量子力学“资源” 的直接应用, 是量子力学与信息科学相融合的交叉学科。
光子学的基本理论及应用
光子学的基本理论及应用光子学，简单来说就是研究光的一门科学，它是物理学和工程学的分支，涉及到光的产生、传输和控制等方面。
光子学在现代科技方面有着非常广泛的应用，在通讯、计算机、医学、材料等领域中均有涉及，其应用前景十分广阔。
本文将介绍光子学的基本理论及应用。
一、光子学的基本理论1. 光的本质在介绍光子学的基本理论之前，我们先了解一下光的本质。
光在物理学中被认为是电磁波的一种，由电场和磁场相互作用产生。
光具有波动性和粒子性，既可以用波动理论解释，也可以用粒子理论解释。
在波动理论中，光被当做是能量传递的一种波动；在粒子理论中，光被看做是一种由光子组成的微粒子，它们具有能量和动量。
2. 光的传播光的传播具有一些特殊的特性，比如说它的传播速度是光速，光线是直线传播的，等等。
在研究光传播的过程中，研究者们提出了许多理论，其中最著名的一种是亨利·艾伯特提出的宏微观介质论。
该理论认为，光的传播既可以用波动理论解释，也可以用粒子理论解释。
在它的基础上，科学家们逐渐发现了光的偏振、折射和反射等重要特性，并在此基础上研发出了许多应用于工程和通讯等领域的新材料和新技术。
3. 光学仪器为了更好地研究光的特性和应用，科学家们研发出了一系列光学仪器，比如望远镜、显微镜、光谱仪、激光等。
这些仪器不仅能够帮助我们观察太空、观察微生物等，还能用于研究材料的物理、化学、生化等性质，同时还可以用于工程、制药和医疗等领域。
二、光子学的应用1. 光通信光通信是利用光纤和光源进行数据传输的一种通信方式。
相对于传统的电信，光通信具有更高的传输速度、更低的干扰和更大的传输距离。
光通信现已成为全球主流的通信方式之一，应用于互联网数据传输、电视信号传输、电话通话等领域。
目前，中国已经成为全球最大的光通信市场之一。
2. 光催化光催化是利用光能作用于材料表面，促使其在光的作用下发生化学反应的过程。
这种方式一般具有反应速度快、产率高等优点，因此在工业、农业、环境保护等领域都有应用。
光子学技术的基础知识及原理概述
光子学技术的基础知识及原理概述光子学技术是研究光的产生、传播、操控和应用的学科。
光子学技术的应用领域非常广泛，包括通信、能源、医学、材料科学等多个领域。
了解光子学技术的基础知识和原理，对于理解和应用光子学技术具有重要意义。
一、光子学技术的基础原理1.光的性质光是一种电磁波，具有粒子和波动的性质。
光的电磁波性质决定了它能够在真空中传播，具有波长、频率、振幅等特性。
2.光的产生光的产生主要有自然光和人工光两种形式。
自然光是由太阳或其他天体辐射而来，而人工光则是由光源产生的，如激光、LED等。
3.光的传输光的传输是指光在介质中的传播过程。
常见的光传输介质有空气、水、光纤等。
光在介质中传播的速度与介质的折射率有关，折射率越大，光的传播速度就越慢。
4.光的衍射和干涉光的衍射是指光通过一个孔或绕过边缘时的偏离现象。
光的干涉是指两束或多束光波相互叠加时产生的干涉条纹。
二、光子学技术的应用1.光通信光通信利用光纤传输光信号，具有传输距离远、容量大、抗干扰能力强等优势。
光通信是现代通信网络中广泛采用的传输技术，其高速、稳定的传输速度满足了人们对于大容量、远距离通信的需求。
2.光存储技术光存储技术利用光的特性来存储和读取信息。
光存储技术有着高密度、高速度和长寿命的特点，被广泛应用于光盘、DVD、蓝光光盘等信息存储媒介。
3.激光技术激光技术是光子学技术的重要应用领域。
激光是一种具有高度相干性、单色性和直线传播特性的光源。
激光技术在医学、制造业、科学研究等领域发挥着重要作用，如医疗激光、激光切割、激光制造等。
4.光谱技术光谱技术是一种利用光的特性对物质进行识别和分析的方法。
通过测量光的波长和强度，可以获得物质的成分、浓度和结构等信息。
光谱技术广泛应用于化学、生物、环境等领域，如红外光谱、紫外光谱、拉曼光谱等。
三、光子学技术的前景及挑战1.前景随着信息时代的到来，对于高速、大容量、安全的通信需求不断增加，光子学技术的发展前景非常广阔。
大学光子知识点总结
大学光子知识点总结一、光子的基本概念1. 光子的概念光子是光的微观粒子，也可以理解为光的量子。
在经典物理学中，光被认为是一种电磁波，但是在量子力学中，光被认为是一种由光子组成的粒子流。
光子的能量与频率成正比，其能量E和频率ν的关系可以由普朗克公式E=hν（其中h为普朗克常数）来描述。
光子的波粒二象性使得光在某些情况下表现出粒子的特性，而在另一些情况下又表现出波动的特性。
光子的波长与频率之间的关系由光速c来描述，即λ=c/ν。
2. 光子的性质光子具有能量和动量，而且是不稳定的粒子，其寿命很短。
光子的能量和动量可以被多种物质所吸收和发射，这种特性使得光子在通信、传感、显示、医疗等领域有广泛的应用。
此外，光子还具有自旋和偏振等量子特性，这些特性对光子的相互作用和检测起着重要的影响。
3. 光子的产生和检测光子的产生通常是通过光源（如激光器、LED等）发射出去的，而光子的检测则需要利用光电探测器或者光子计数器等设备来进行。
利用这些设备，可以精确地测量光子的能量、数量、方向等参数，从而实现对光子的控制和利用。
二、光子的物理原理1. 光子的波动和粒子性质光子既具有波动性，也具有粒子性，这一点是量子力学的基本原理。
光子的波动性质可以通过干涉、衍射等实验来观测，而其粒子性质则可以通过光电效应、康普顿散射等实验证实。
光子的波动性和粒子性的统一描述需要量子力学的形式体系，如波函数、概率分布等。
2. 光子的与物质相互作用光子与物质相互作用是光子学的重要研究领域。
光子在与物质相互作用时可以产生能量转换、激发电子、诱导化学反应等现象，这些现象在光电子学、光化学、半导体等领域有着重要的应用价值。
光子与物质相互作用的机制包括电磁相互作用、光学激发等，这些机制对于材料的光学性能和电子结构有着重要的影响。
3. 光子与电磁场的相互作用光子与电磁场之间存在着相互作用，这种相互作用可以通过光子的偏振、振幅、相位等参数来描述。
光子的偏振状态可以影响光波的传播方向和极化状态，而光子的振幅和相位则对光波的密度和频谱特性产生重要影响。
光子学基础
mc/m0 Si GaAs 0.33 0.07
mv/m0 0.5 0.5
2005-1-27
18
等能面
等能面：k空间能量相同的各点构成的曲面 极值在k=0，有效质量各向同性的简单能带，等能 面为球形，即满足下列两式
k2 E (k ) = Ec (0) + 2mc k2 E ( k ) = E v ( 0) − 2mv
2005-1-27
13
E-k关系举例
E
Ec Eg=1.11eV Ev k
Si
[111]
[100]
E
Ec Eg=1.42eV Ev k
GaAs
2005-1-27
[111]
[100]
14
电子和空穴
当T>0K时
热激发……
2005-1-27
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有效质量（1）
在外力的作用下，
dυ ⎛ 1 ⎞ = ⎜ ⎟F dt ⎝ m ⎠ ⎛ ∂2E ⎜ 2 ⎜ ∂k x 2 ⎛ 1 ⎞ 1⎜ ∂ E 倒有效质量张量 ⎜ ⎟ = ⎜ ⎝m⎠ ⎜ ∂k y ∂k x ⎜ ∂2E ⎜ ⎜ ∂k ∂k ⎝ z x
[
]
上式称为Fermi-Dirac分布。Ef为Fermi能级。
2005-1-27
34
Fermi分布函数的图象
Ef是任何温度下能级占据几率为1/2的能级；也是绝 对零度下被占据能级和空能级之间的分界线
2005-1-27
35
Fermi函数（电子和空穴）
能级E上的平均电子数（或被电子占据的几率） 1 f (E) = exp ( E − E f ) / k BT + 1
2005-1-27
11
半导体中的能带
光子学基础
摘要：本文介绍了光纤传感器与传统传感器的优点及传光、传感型光纤传感器的原理。
之后讲述了光纤传感器的分类及其特点，最后重点讲述了光纤传感器的应用，主要有在结构工程检测方面、在桥梁检测方面、在岩土力学与工程方面、在食品工业中、军事技术。
关键字：光纤传感器原理军工应用工程检测Abstract: This paper mainly introduces the advantages of the optical fiber sensor and the traditional sensor as well as the principles of the optical fiber sensor, including the type of light and the type of sensor. Besides, it describes the classification and features of the optical fiber sensor. At last, the paper focuses on the application of the optical fiber sensor, mainly in the aspects of structural engineering detection, bridge detection, rock-soil mechanics and engineering, food industry and military technology.Keywords: the optical fiber sensor; principle; military application; engineering detection1.引言光纤传感技术的发展始于20世纪70年代，是光电技术发展最活跃的分支之一[1]。
近年来传感器产品收益日益增大，传感技术已成为衡量一个国家科学技术的重要标志。
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姓名：曾福江学号：20121002251 班级：075123课程名称：光子学基础任课老师：王宏光学隐身技术1.1基本资料隐形技术（stealth technology），准确的术语应该是“低可探测技术”，即通过研究利用各种不同的技术手段来改变己方目标的可探测性信息特征，最大程度地降低对方探测系统发现的概率，使己方目标，己方的武器装备不被敌方的探测系统发现和探测到。
隐形技术是传统伪装技术的一种应用和延伸，它的出现，使伪装技术由防御性走向了进攻，有消极被动变成了积极主动，增强部队的生存能力，提高对敌人的威胁力。
雷达和通信设备工作时会发出电磁波，表面会反射电磁波，运转中的发动机和其他发热部件会辐射红外线，以及物体（如飞机）会反射照射向它的雷达波，这样，就使武器装备与它所处的背景形成鲜明对比，容易被敌人发现。
通过多种途径，设法尽可能减弱自身的特征信号，降低对外来电磁波、光波和红外线反射，达到与它所外的背景难以区分，从而把自己隐蔽起来。
这就是“低可探测技术”。
隐形技术涉及到电子学、材料学、声学、光学等许多技术领域，是第二次世界大战后的重大军事技术突破之一。
隐形技术包括：雷达隐形、红外隐形、磁隐形、声隐形和可见光隐形等。
很多武器装备，如飞机、导弹、舰船、坦克、战车、水雷、大炮等，都可以采取隐身措施把自己隐蔽起来。
首先出现的是隐形飞机，通过降低雷达截面和减小自身的红外辐射实现隐形。
作为提高武器系统生存能力和突防能力的有效手段，它受到世界各主要军事国家的高度重视，从20世纪50年代开始发展以来，随着技术的发展，从简单的伪装到现代反声、光、电、磁等探测的隐身技术。
现代隐身技术主要包括反雷达探测、反红外探测、反电子探测、反可见光探测和反声波探测等隐身技术，近年来激光制导武器的快速发展，使得反激光探测技术(即激光隐身技术)也成为了各国竞相研究的对象。
1.2隐身技术实现的原理如图，A是某个物体, c是光线,假如来自四面八方不同角度照射到物体A上的光线，当要接近物体A时都自觉的绕过A后，继续沿着光线c原来的传播方向继续前进。
那么这时物体A将成为隐身，人们就看不到物体A了。
假如我们以后找到某种办法,迫使自己周围的光线百分之百的绕道后继续沿着光线自己原来的传播途径继续前行，那么我们自己就在光学上隐身了。
1.3光学隐身与反隐身技术的新动向隐形技术的出现促使战场军事装备向隐形化方向发展。
由于各种新型探测系统和精确制导武器的相继问世，隐形兵器的重要性与日俱增。
以美国为首的各军事强国都在积极研究隐形技术，取得了突破性进展，相继研制出隐形轰炸机、隐形战斗机、隐形巡航导弹、隐形舰船和隐形装甲车等，有的已投入战场使用，在战争中显示出巨大威力。
同时，反隐形技术也在深入发展，并不断取得新成就。
隐形材料一直没有被发现过，直到沙拉耶夫用人造原子、中继原子等工程学方法制造出超材料。
这种超材料具有在三维空间整齐布阵的微小粒子，而且它们的尺寸达到了纳米级，在扫描探针显微镜观察下呈现出有序的微观结构：“当微观结构的尺寸与光波的波长相当时，就能够表现出某些光学和电磁学上的特异性。
而我的材料结构比光波波长还小。
事实上，普通的材料无论如何看似光滑，对于微粒子来说都好像雨点打在鸟巢体育场那样大的粗糙核桃壳上一样，总是会向各个角度产生反射。
只有把结构做到比光子还要小，才有可能做出足以让光线如同激流经过鹅卵石一般的流线体。
沙拉耶夫正是这样完成了他的隐身衣的材料。
随后，他依靠一排从中心点开始像一个圆形的梳子沿轮辐方向向外辐射的微型针，将光的折射和扭曲减少到几乎为零，使得围绕着隐身衣的光线发生弯曲，致使人们看不见斗篷。
2008年10月，沙拉耶夫在美国《科学》杂志上把隐身衣的秘密公诸于世，同时向人们宣布：“只有超材料才能织就隐身衣”。
然而他志得意满之际似乎忽略了一个事实：当隐身衣把他遮得严严实实的时候，他也成为一只被缝在布袋里的小白鼠。
别人看不见他，而他也什么都看不见。
除非他挖两个洞露出眼睛，但是两颗悬在空中眨巴眨巴的大眼睛也足够把观众们惊倒了。
现在，必须再给隐身衣设计一副配套的墨镜，才能做到完全隐身。
如果说，让人看不到墨镜的里面就好比隐形技术；那么，让戴墨镜的人能清楚地看到外面则可以称为反隐形技术。
沙拉耶夫所没有解决的反隐形技术其实早已开始被其他科学家关注。
2007年11月，上海交大的陈焕阳博士在美国《应用物理快报》上公布了他对抗隐形技术的研究结构。
他和同事们设计出一种光学属性与那些隐形斗篷完美匹配的材料：“用术语来说，就是一种各向异性负折射率材料，它的阻抗与隐形斗篷的正折射率相匹配”。
事实上，它的原理有点像是给手枪装上消音器：用相同频率的声波的波峰来填补所发出的声音的波谷，最终完全抵消空气振动。
其实，沙拉耶夫只要将这样的反隐形材料贴在隐身衣上，就可以让一些光线按照指定的路径渗透进来，从而部分抵消隐身衣的效应。
2.1激光隐身技术激光作为一种主动探测信号有许多优点，它具有亮度高、方向性好、单色、性好、相干性好等优点。
作为雷达使用时，与普通微波雷达相比，它又具有分辨力高、抗干扰能力强、隐蔽性好、体积小、质量轻等优势。
因此，近年来随着激光技术的发展，激光测距机、激光制导武器、激光雷达等已研制成功并装备部队。
激光制导导弹或炸弹的投掷精度、应战能力达到了惊人的地步，以致可做到被发现就会被击中，被击中就会被摧毁，严重地威胁地面武器的生存，因此，现代战场上地面武器的激光隐身是必不可少的。
激光隐身的原理主要是基于激光测距机的测距方程。
由脉冲激光测距机的测距方程可知，对于漫反射大目标，激光测距机的最大测程与目标反射率的二分之一次方成正比；对于漫反射小目标，激光测距机的最大测程与目标反射率的四分之一次方成正比。
因此，要实现激光隐身，消弱激光测距机的测距能力缩短其最大测程，必须降低目标对激光的反射率。
当前，利用激光隐身除了要对抗各种军用激光测距机以外，最主要的是要对抗激光制导武器，主要是半主动激光制导武器，包括激光半主动制导导弹、激光半主动制导炸弹和激光半主动制导炮弹等，目标实施激光隐身以后可使目标指示器照射到目标上的激光产生弱的回波，不能被弹上的激光接收器所接收，从而不能实现对目标的攻击。
除了激光半主动制导武器以外，激光隐身还要对抗的就是激光成像雷达，这时激光隐身的目的将是使目标的激光反射特性与背景一致，但目前还未考虑这种情况。
通常使用的激光隐身技术手段主要有两种：隐身外形技术和隐身材料技术。
其中隐身外形技术主要是设计和改变目标的几何外形，使目标的激光散射截面尽量减小；隐身材料技术则主要是设计和采用对激光低反射率的材料。
而在诸多的隐身材料中，涂料隐身以其施工方便、成本低廉、性能优越等特点而一直是隐身技术的研究重点。
2.2激光隐身涂料目前，常用激光探测器的探测频率主要集中在1.06μm和10.6μm两个频段。
在此频段激光隐身涂料具有高的摩尔吸收率，其化学稳定性、热稳定性和力学性能等综合性能优良，所以其应用范围很广。
然而，值得注意的是，对某种探测、制导手段具有单一隐身作用的材料，也可能对另一探测、制导手段毫无作用，甚至反而具有“显形”作用。
激光隐身涂料应用还必须要考虑的一点是和其他隐身技术兼容的问题，如激光隐身涂料与可见光、红外以及雷达波隐身技术的兼容问题，需要通过复合技术将不同波段的吸波剂及低红外发射材料有效耦合在一起，将其做成涂料等，以实现对多种探测手段的复合隐身。
3.1等离子体隐身技术实验证明，用等离子气体层包围诸如飞机、舰船、卫星等的表面，当雷达波碰到这层特殊气体时，由于等离子体层对雷达波有特殊的吸收和折射特性，使反射回雷达接收机的能量很少。
例如，应用等离体技术可使一个13cm长的微波反射器的雷达平均截面在4～14GHz频率范围内平均减小20dB，即雷达获取的回波能量减少到原来的1％。
美国休斯实验室已进行了这方面的实验。
3.1.1等离子体隐身的机理和特点等离子体隐身技术的原理是利用电磁波与等离子体互相作用的特性来实现的，其中等离子体频率起着重要的作用。
等离子体频率指等离子体电子的集体振荡频率，频率的大小代表等离子体对电中性破坏反应的快慢，它是等离子体的重要特征。
若等离子体频率大于入射电磁波频率，则电磁波不会进入等离子体．此时，等离子体反射电磁波，外来电磁波仅进入均匀等离子体约2mm，其能量的86％就被反射掉了。
但是当等离子体频率小于入射电磁波频率时，电磁波不会被等离于体截止，能够进入等离子体并在其中传播，在传播过程中。
部分能量传给等离子体中的带电粒子，被带电粒子吸收，而自身能量逐渐衰减。
等离子体之内电子密度越大。
振荡频率越高，和离子、中性粒子碰撞的频率就高，对雷达波的吸收就越大。
同时雷达波在等离子体中传播时，由于在等离子体中有大量的中性分子或原子，所以还存在着介电损耗。
等离子体介质在雷达波交变电场的作用下产生极化现象，在极化过程中，电荷来回反复越过势垒，消耗电场的能量，表现为电导损耗，松弛极化损耗，和谐振损耗等。
另外，由等离子体发生器喷射到飞机外围空间的等离子体是非均衡等离子体，处于非热动力平衡状态，经过一定时间离子间的碰撞才达到趋向密度均匀和温度均匀的热力学平衡状态。
3.1.2等离子体隐身的优点(1)吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好。
使用简便、使用时间长、价格极其便宜。
(2)由于等离子体是宏观呈电中性的优良导体，极易用电磁的办法加以控制，只要控制得当，还可以扰乱敌方雷达波的编码，使敌方雷达系统测出错误的飞行器位置和速度数据以实现隐身。
(3）无需改变飞机等装备气动外形设计，由于没有吸波材料和涂层，维护费用大大降低。
(4)俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不会影响飞行器的飞行性能，还可以减少30％以上的飞行阻力。
3.1.3等离子体隐身存在的难点虽然等离子体隐身具有很大优越性，但也存在以下难点。
(1)等离子体对雷达波的吸收能力在不同条件下相差非常大，与多方面的因素有关。
如等离子体的密度、碰撞频率、厚度等。
入射电磁波频率，电磁波入射角和极化方向等，如何在应用中文实现最佳参数并随外界条件进行调节有一定难度。
(2)飞行速度对等离子体的影响。
(3）等离子体是一项十分复杂的系统工程，涉及到大气等离子体技术、电磁理论与工程、空气功力学、机械与电气工程等学科，具有很强的学科交叉性。
3.1.4等离子体隐身的研究与进展从20世纪60年代开始美国和前苏联等军事强国就着手研究等离子体吸收电磁波的性能。
前苏联最早开始进行等离子体实验的重点是等离子体在高空超音速飞机上的潜在应用：90年代初，美国体斯顿实验室进行的一项为期两年、投资65万美元的实验表明，应用等离子本技术可使一个13cm长的微波反射器的雷达截面在 4～l4GHZ频率范围内平均降低20dB，即雷达获取回波的信号强度减少到原来的1％，l997年美海军委托田纳西大学等机构发展等离子体隐身天线，其机理是：将等离子体放电管作为无线元件，当放电管通电时就成为导体，能发射和接收无线电信号，当断电时便成为绝缘体，基本不反射雷达发出的探测信号。