光子学与光通信导论复习

光子学与光通信导论

第一章 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 光的波动性与粒子性 光电效应

1.

维恩位移定律：

例题：

1．用波长为400 nm 的紫光去照射某种金属，观察到光电效应，同时测得遏止电势差为1.24 V ，试求该金属的红限和逸出功。 解: 由爱因斯坦方程，得 等号两边同除以普朗克常量h ，得 等号左边等于红限ν 0，所以

因为

所以：

代入数值，得

根据逸出功A 与红限ν 0的关系，可求得逸出功

2．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： 2

a 2

1mu

eV =

h eV c

a

0-

=

λ

νK

cm C T ax m ⋅==⋅2898.00λh

X c

k

T B ⋅==⋅⋅2014.01max λs

J h c

k C h X c k

T B

B ⋅⨯=⋅=⋅==⋅⋅-3401max 10626.62014.0λ2

2

1mu h A -=νh

mu h A 22

-

=νh

mu c 22

0-

=λ

ν.

Hz 10514Hz

10992Hz 10507Hz

1063624

110601Hz 100041000314

141434

19780⨯=⨯-⨯=⨯⨯⨯-⨯⨯=---........νeV

1.87=J 10992J 10636105141934

140--⨯=⨯⨯⨯==...h A ν秒焦耳瓦米/1071)105.0(23

22

10--⨯=⨯⎪⎪⎫

⎛⨯⨯=πP

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 波粒二象性及测不准原理

光压 光学黏胶 几率波

测不准原理 1.光是波、也是粒子：

• 光是波 它具有波长 λ 和频率ν • 光是粒子 它具有能量 E 和动量 Р 动量

光子质量

光子质量与波长成反比 例题：

1.

用强光照射 Na 原子 (原子量为 23, 原子直径 1 A), 若要求光子产生的压力比重力产生的压力大 10 倍, 试求入射的光强度为多少? 解 按题意写出

式中 m = 23 M p, g = 10 (m / Sec 2)为重力加速度, S 为 Na 原子的截面积。将各参数代入上式

得：

这就是说当光强达到0.147(瓦 / 毫米2)时, Na 原子上受到的光压力是重力的十倍。 2.

中子的平均动能为 k B T, 试求 在 300K 温度下，中子的德布洛意波长 = ? 解 利用 其中 代入得

中子的质量 代入

常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级

3.电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的电压为100仟伏，求这台电子显微镜的波长理论极限?

秒40001106.11078.119

23≈⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=--eV J W eV t λ

νh c h c E P ===λ

12

⋅==c h c E m S

g m c I A ⨯⨯==10)/(1014723米瓦⨯=I P

h =λm P E 22=kg

m 271067.1-⨯=)(1078.12210米-⨯===T mk h mE h B λm

P m P E mc P mc

E 2/21212

22==∴==粒子的平均动能：

解

2.测不准原理(Uncertainty Principle)

海森堡的测不准关系式(德国物理学家1927年提出）

海森堡根据波粒二象性和实验上不能同时测准位置与动量的实验事实得出：

即量子体系中，位置与动量及时间与能量(或频率)不能同时测准的物理量。 例题：

1. 子弹(50克)和电子的速度均为300米/秒，测速度的不确定度0.01%，若测速度与测位

置在同一实验中同时进行。试确定测子弹与测电子位置的不确定度各等多少? 电子

子弹

2.

原子受激之后在任何时刻都可能产生辐射，实验测出原子辐射的平均寿命为 秒。试求辐射光子的频率不确定度? 解：

若上题的原子为铒原子，发射的中心波长为1500nm 。试求原子发射的自然谱宽( 即 )为多少? 解：

在通讯技术中测不准原理的例子： 1.天线射束的张角 2.脉冲宽度与频谱

第三章 激光的产生和性质

受激辐射理论 激光振荡原理 激光泵浦技术 激光谐振腔

埃埃039.0)(3

.122===

V

meV h λ厘米米2.0102)2/(107.2%01.0107.2%

%)(/107.2300101.9332282831=⨯=∆⨯=∆∴⨯=⨯⨯=⨯=⨯⨯=∆⨯=∆⋅⨯=⨯⨯==-----p x v p v v m v m p s

m kg mv p η米

3231034//105.1/150001.0/15--⨯=∆=∆⋅⨯=⋅⨯=∆⋅==p h x s m kg s m kg p s

m kg mv p πHz

t t 61084/141⨯=∆⋅⋅=∆∴=∆⋅∆πνπννν/∆8

8

69104103108101500--⨯=⨯⨯⨯⨯=∆⨯=∆c νλνν