光子学基础
高中物理光子基础知识学习笔记
高中物理光子基础知识学习笔记光是物理学中的重要概念之一，理解光的性质和行为对于学习物理学和应用物理学非常重要。
本文将介绍高中物理中光子的基础知识，包括光的特性、光的传播和光电效应等内容，并通过举例说明具体操作方法，分析性循序推理论点，最后给出实践导向结论。
第一部分：光的特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光的传播过程中，光既可以表现出波动性，也可以表现出粒子性。
这个粒子就是光子，是光的基本单位。
光具有传播速度快、不受重力和电磁力影响、能量量子化等特性。
光的传播速度是光速，约为3×10^8米/秒，这个速度是宇宙中最快的速度，也是光速的上限。
光通过介质传播时，会发生折射、反射和衍射等现象。
这些现象可以用光的波动性解释。
例如，当光由一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象，即光线的传播方向改变。
这是因为光在进入新的介质后，传播速度改变，导致光线的传播方向改变。
第二部分：光电效应光电效应是指当光照射到金属表面时，会引起金属表面电子的发射现象。
这个现象不能用光的波动性解释，只能用光的粒子性来解释。
根据光的粒子性，光子具有能量量子化的特性，当光照射到金属表面时，光子的能量会转移给金属表面的电子，使电子获得足够的能量克服金属表面的束缚力，从而发射出金属表面。
光电效应的实验装置包括光源、金属片和电流计等。
具体操作方法如下：首先，将金属片放在光源的照射下，调节光源的亮度，使得光照射到金属片上；然后，连接电流计，调节电流计的灵敏度，可以测量光电效应产生的电流。
通过光电效应的实验，我们可以得到光电效应的特点：首先，光电效应的电流与光的强度成正比，即光的强度越大，电流越大；其次，光电效应的电流与光的频率有关，当光的频率低于一定频率时，无论光的强度有多大，光电效应都不会发生；最后，光电效应的电流与金属的工作函数有关，工作函数是指金属表面的最小光子能量，当光的频率大于一定频率时，光电效应发生。
第三部分：问题进一步阐释在实际中，光的波动性和粒子性共同作用，解释了光的一些特殊现象。
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。
13
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。
光子学与光通信技术
光子学与光通信技术光子学是研究光的性质、产生、操控和应用的学科，而光通信技术则是利用光来传递信息的一项重要技术。
本文将从理论基础、技术应用以及未来发展等方面探讨光子学与光通信技术。
一、光子学基础光子学作为一门交叉学科，涉及物理学、光学、电子学等多个领域。
它的基本理论包括光的波粒二象性、光的干涉与衍射、光的反射与折射等内容。
光子学理论为光通信技术的发展提供了坚实的基础。
在光通信技术中，光的传输需要通过光纤来进行。
光纤的工作原理是利用光在介质中的传播特性，保持信号的传输质量。
光纤的核心部分由光纤芯和包层组成，其中光纤芯用来传递光信号，包层则用来保护光信号不受损失。
光纤的直径通常只有几个微米，具有很高的传输带宽和抗干扰能力。
二、光通信技术应用光通信技术在现代社会中得到了广泛应用，无论是互联网还是电话通信，都离不开光通信技术的支持。
1. 光纤通信光纤通信是光通信技术的核心应用之一。
通过将光信号转换为光纤中的脉冲，可以实现高速的、远距离的信息传输。
相比传统的电信号传输，光纤通信具有传输容量大、抗干扰能力强的优势。
在光纤通信中，光的频率、波长和强度都需要被精确控制和调节。
2. 光纤传感光纤传感是利用光纤进行测量和监测的技术。
通过测量光纤中光的特性变化，可以获取被测量物体的信息。
光纤传感在工业、医疗、环境等领域中有广泛的应用，例如温度传感、压力传感等。
3. 光存储技术光存储技术是利用光的特性进行信息存储和读取的技术。
它不同于传统的电子存储方式，具有存储密度高、读取速度快的特点。
光存储技术在光盘、蓝光光盘等媒体中得到了广泛应用。
三、光子学与光通信技术的未来发展随着科学技术的不断进步，光子学与光通信技术在未来有望迎来更广阔的发展前景。
1. 高速通信随着社会信息量的不断增加，人们对通信速度的要求越来越高。
光通信技术具有高传输速度的特点，未来可以实现更大带宽和更快的数据传输速度。
2. 光子计算机光子计算机作为一种新型的计算机技术，具有并行计算能力强、能耗低等特点。
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。
光子学物理基础 A
0 y( z ) y 0 cos z sin z dy ( z) y0 sin z 0 cos z dz
(2-2-27)
(2-2-28)
其轨迹在这种情况下始终可局限于小区域内,平 板因之形成一个光波导(light waveguide). 对合适的入射光线 ， GRIN slab 可使光线在传 播过程中自聚焦。
r Z
轴向梯度
n(r ) n( z)
径向梯度
n(r ) n( )
X
o
z
Z
Z
a. 球面梯度 ( n(r) ) 由光线方程
d dr (n(r ) ) n(r ) ds ds
d 两边 r r (n(r )t ) r n(r ) 0 ds
t r
光理论的中心议题仍然是三个主要方面， 即：光的本性、光的传播、光和物质的相互 作用 ( 包括光的产生和接收 )。
§2.2 光线光学 (Ray Optics)
光线光学是最早建立起来的光的理论。
1. 光线光学的基本假设 (1) 光以射线的形式传播。这种射线(称光线)由光源 发出，当到达光接收器时就被观察到。 (2) 光介质由被称为折射率(refractive index)的量来 表征，折射率是光在自由空间的传播速度与在 介质中的传播速度之比。
d d (n 2 )0 ds ds
d dz n C dz ds
2
d l0 C dz
2
(2-2-21)
c 0 l0
z
dz
z0
2
(2-2-22)
另由
d 2 2 d 2 ds [d d dz ] [( ) ( ) 1]dz 2 dz dz
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。
光子学技术的快速入门指南
光子学技术的快速入门指南光子学技术是研究和应用光的行为以及与光相互作用的学科领域。
它涉及光的发射、传播、控制和检测等方面，广泛应用于通信、信息处理、医疗、生物、能源和材料等多个领域。
本文将为您提供光子学技术的快速入门指南。
第一部分：光的基础知识了解光的基础知识对于学习和应用光子学技术至关重要。
光是电磁波的一种，具有波粒二象性。
光的波长范围称为光谱，包括可见光、红外光和紫外光等。
掌握光的基本特性，如波长、频率、速度和能量等是入门的关键。
第二部分：光子学组成光子学技术的基本元件包括光源、光学器件和探测器。
光源用于产生光，常见的光源包括激光器、发光二极管和白炽灯等。
光学器件用于控制和操纵光的传播和特性，包括透镜、棱镜、波导器件、偏振器等。
探测器则用于检测和测量光的特性和信号。
第三部分：光的传播与纤维光学光的传播是光子学技术的关键问题之一。
在光纤中，光通过纤芯的全内反射而传播，利用光的全内反射特性可以实现高效率和低损耗的信号传输。
了解光在纤芯中的传播特性以及光的衰减和色散现象对于光纤通信和传感应用非常重要。
第四部分：光子学应用光子学技术在各个领域有着广泛的应用。
在通信领域，光纤通信已经成为主流的通信方式，其高容量、低延迟和低损耗的特点使其成为信息交流的重要手段。
在医疗领域，激光技术被广泛应用于手术、诊断和治疗等方面。
在生物领域，光子学技术可以用于细胞和组织的成像和分析。
在能源和材料领域，光子学技术可以用于太阳能电池和高效光催化反应等方面。
第五部分：光子学研究领域光子学技术的不断发展和进步为科学研究提供了更多的工具和方法。
其中包括光学显微镜、光谱分析仪、激光雷达、光学成像技术等。
这些技术的发展不仅在基础科学研究中有着重要应用，也在工业界和医疗领域发挥着重要作用。
随着光子学技术的快速发展，加深对光的认识，探索新的应用前景成为当前光子学研究的重要方向。
结语：光子学技术作为一门快速发展的学科，正引领着科技进步的浪潮。
生物医学光子学的理论和实践
生物医学光子学的理论和实践随着科技的不断发展和进步，各个领域都得到了快速的发展，人类对于生命和健康的研究也越来越深入。
其中，光子学作为一种前沿科技，已经在生物医学领域产生了广泛的应用。
本文将对生物医学光子学的理论和实践进行探讨。
一、光子学的基础理论光子学是光学研究中的一个领域，它主要研究光的产生、传播、操控和应用等方面。
在生物医学领域，光子学的应用主要是基于光的特性来进行医学研究，其中涉及到很多基础理论。
光子学的基础理论主要包括：量子光学、光学相干性、光谱学、光电子学、非线性光学和弱光测量等方面。
这些理论充分说明了光子学在生物医学中的应用过程，比如说在光子学成像、光学治疗、生物光子学及光谱学等方面的应用。
二、生物医学光子学的应用生物医学光子学的应用非常广泛，以下将详细介绍其主要应用领域。
1、生物光子学生物光子学指的是应用光子学原理来研究生物体内发生的光学过程和现象。
在这个领域里，光的特性、传播规律和光学成像的方法被广泛应用。
其中，光学成像主要通过激光扫描显微镜、多光子显微镜、荧光显微镜等手段来实现。
这些光学成像方法可以非常清晰地看到细胞结构、生物内部不同的分子构成等细节信息，从而促进了对于生物的认识和研究。
2、光学治疗光学治疗是指利用光子学原理来进行疾病治疗的方法。
在这个领域里，主要应用激光光束来进行治疗。
激光光束可以精确定位病变区域，避免伤及健康组织。
在此基础之上，激光光束可以被用来进行病变切除、癌症治疗和疤痕修复等过程。
其治疗效果优越，且对患者没有副作用。
3、光学传感器光学传感器是指应用光子学原理来进行测量，并将获得的信息转化为电信号的传感器。
在生物医学领域，光学传感器可以通过灵敏的光学材料来接收并反映生物体内的信息，如没有针头的血糖测试器，非侵入性血糖检测装置等等。
这种技术可以更加轻便、快捷、精确地检测患者的生理指标，且由于非侵入性操作，对患者无任何危险。
4、光学诊断光学诊断是指利用光子学原理来进行疾病诊断的方法。
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。
光子学物理基础B
(2-3-9)
U ( r ) 是频率为
的单色分量的复振幅:
U (r ) u (r , t ) exp( j 2 t )dt
(2-3-10)
定义解析信号表示，取
2U (r ) V (r ) 0
多级化元件(multilevel elements) 相位变化
2 2 n
连续分布元件(continuous Surface...)相位变化 0 ~ 2
衍射光学元件工作示意图
衍射光学元件设计的理论基础
精细结构的特征尺度 > 标量衍射理论
精细结构的特征尺度
衍射光学元件的加工制作
矢量衍射理论
后一积分
H-K公式
e ik
[ikU
U
U 2 ] d 4U 0 r
1 eikr eikr U U ( P) [U ( ) ]ds 4 s n r r n
(2-3-23)
波场中一点的Helmholtz方程的解，用包围该点的面上的U及其微商来表示。
12 ( ) 1
12 ( ) exp( j 2 0 )
完全相干场
准单色场
V ( P, t ) U ( P, t ) exp( j 2t )
* 12 ( ) U ( P , t ) U ( P2 , t ) exp( j2 ) 1
0 <0
V ( r , t ) V exp( j 2t )d
0
(2-3-11)
因此
u( r, t ) Re{V ( r, t )}
实验室中光子学技术的基础实验方法简介
实验室中光子学技术的基础实验方法简介光子学是研究光的性质和光学器件的学科领域。
在实验室中，研究人员利用各种基础实验方法来探索光子学技术的原理和应用。
本文将介绍几种常见的实验方法，包括干涉实验、衍射实验和非线性光学实验，帮助读者了解光子学技术的基础实验方法。
干涉实验是光子学中常用的实验方法之一。
干涉是指两个或多个光波相互作用，相位差引起光波的加强或相互干涉，产生明暗相间的干涉条纹。
经典的干涉实验是杨氏双缝实验，通过在光源前放置一片屏幕，在屏幕上打开两个非常窄的缝隙，光通过后形成二次光源，这两个光源发出的光波在一定区域内互相干涉，最终在屏幕上形成干涉条纹。
通过观察和测量这些条纹的性质，可以获得光的波长和相位差的信息，从而研究光的干涉现象。
衍射是光子学中另一种重要的实验现象，也是一种常用的实验方法。
衍射是光波在遇到障碍物或通过狭缝时发生弯曲，绕过或传播到新的方向的现象。
典型的衍射实验是用光源照射一个狭缝，然后在屏幕上观察到狭缝两侧呈现出一系列明暗相间的条纹。
这些条纹是由于光波的衍射效应产生的。
通过测量和分析这些条纹的特性，可以推断出光的波长和狭缝的尺寸。
衍射实验在光子学中被广泛应用于光学元件的设计和制造。
非线性光学实验是一种研究光与介质相互作用的实验方法。
与线性光学实验不同，非线性光学实验研究的是光的非线性响应，即光的强度不仅与入射光的强度成正比，还与其平方、立方或更高次幂相关。
一个常见的非线性光学实验是二次谐波生成实验。
将一个连续波光源通过非线性晶体，非线性晶体会将光波分解成二次谐波和其它频率的光波。
通过调整光源的频率、晶体的位置和参数，可以实现对非线性波的调制和传输。
非线性光学实验在光通信、光计算和光储存等领域具有广泛的应用前景。
实验室中还有许多其他光子学技术的基础实验方法，例如激光干涉测距实验、光学共焦显微镜实验、自发辐射光栅实验等。
这些实验方法为光子学技术的发展提供了基础，也为实验室研究人员提供了工具和途径来探究光的性质和应用。
光子学物理基础 绪论
光子学的物理基础( Physical Fundamentals ofPhotonics )清华大学物理系2011.9前言1.《光子学的物理基础》是光学方向的一门专业基础课2. 这是已开了十多年的课程，1994年首次开出3. 内容上的特点基础知识的系统性专业知识的前沿性4. 教学上的特点讲授—讨论—专家报告—研究论文5. 要求认真学习既注意对整体框架的学习，也注意对具体内容的学习参考书：1. B. E. A. Saleh, M. C. Teich《Fundamentals of Photonics》（1991, 2007）2. Chai Yeh《Applied Photonics》（1995）3. 王忠和、张光寅《光子学物理基础》（1998）4. Keigo Iizuka《Elements of Photonics》(2002)5. Lukas Novotny, Bert Hech《Principles of Nano-Optics》(2006, 2011) 6. Stefan A. Maier《Plasmonics:Fundamentals and Applications》(2007)7. Alan Rogers《Essentials of Photonics》(2009)目录第一章引论§1.1 从物理学的角度看光子学的兴起并展望其未来§1.2 光子学的物理基础第二章光理论基础§2.1 光理论的发展§2.2 光线光学(理论结构，理论应用，矩阵光学，变折射率光学)§2.3 波动光学(理论结构，理论应用，标量衍射理论，衍射光学，近轴光学，高斯光束)§2.4 电磁光学(理论结构，理论应用，超短光脉冲)§2.5 量子光学和光子光学(QED,Q.O.及光子光学，场量子化，光场的统计性质)第三章光和原子§3.1 光和原子的相互作用(相互作用Hamiltonian,吸收和发射，散射，电磁感应效应) §3.2 受激吸收和发射(Einstein系数，光谱线型，无反转光放大)§3.3 自发辐射(自由原子的自发辐射，腔中的自发辐射，合作自发辐射)§3.4 光子动量，激光冷却和囚禁中性原子第四章半导体材料及其光学性质§4.1 固体能带论基础§4.2 光子与电子，空穴相互作用§4.3 半导体超晶格，量子阱及其光学性质§ 4.4 固体的光学性质第五章光子发射源§5.1 光子的非相干发射§5.2 光子的相干发射，激光及其理论§5.3 半导体激光器第六章光的传输§6.1 光在介质中的传输，光群速§6.2 各向异性介质§6.3 左手性材料和metamaterials§ 6.4 光传播的前沿问题（变换光学transformation optics）§6.5 光波导和光纤第七章光子的控制和检测§7.1 控制光子的各种物理效应(电光、声光、磁光、光—光)§7.2 光调制器§7.3 检测光子的各种物理效应§7.4 检测过程中的噪音第八章纳米光子学（Nano-Photonics）基础§8.1 纳米尺度光场的描述§8.2 纳米尺度光场的发射与探测§8.3 纳米尺度光学相互作用第九章光子晶体及其应用§9.1 光子能带§9.2 1-D，2-D，3-D光子晶体§9.3 光子晶体中的原子辐射§9.4 光子晶体的应用第十章表面等离子体光子学（Plasmonics）§10.1 金属的光学性质§10.2 金属/电介质界面的表面等离子激元（surface plasmon polariton）§10.3 半导体/电介质、超导体/电介质界面的表面等离子激元§10.4 表面等离子激元的激发及应用第一章引论光子学是研究光子的产生、运动和转化的科学Photonics:The technology of generating and harnessing light and other forms of radiant energy whose quantum unit is the photon.The range of applications of photonics extends from energy generation to detection to communications and information processing.(from“Photonics Spectra”)从物理学的角度看光子学是光学的原理和方法的技术应用，在应用中常结合材料物理和电子学技术。
光子学的基本原理与应用
光子学的基本原理与应用光子学是研究光子性质和光子在材料和器件上的相互作用的科学，是现代光电学和信息学的核心领域之一。
本文将从光子学的基本概念、量子光学理论和光子学应用等方面进行讨论。
一、光子学的基本概念光子学是以光子为主要研究对象的交叉学科，它研究的是光子在物质和器件上产生的相互作用和应用。
首先从光子的本质开始，光子是一种基本粒子，具有电磁波粒二象性。
按照普遍公认的观点，光子是一种没有质量的稳定粒子，其能量E与频率ν成正比，即E=hν（h是普朗克常数）。
另外，光子在空间中以光速均匀地传播，并遵从波尔兹曼分布，其能态密度与频率成正比。
光子还具有相位和极化等性质，其中相位决定了光的干涉和衍射现象。
二、量子光学理论光子学的理论基础是量子光学，它主要研究光的微观特性和量子效应。
在量子光学中，光被视为由光子组成的粒子流，可以用波函数描述。
光的能量和动量可以用光子的能量和波矢来表示，即E=hf，p=h/λ，h是普朗克常数，f是光子的频率，λ是光子的波长。
量子光学也研究光的相干性和纠缠性等量子现象。
量子纠缠是指两个或多个光子的量子态不能被分解成各自的态的乘积，纠缠态的测量结果是相关的。
量子纠缠在量子计算和量子通信中具有非常重要的应用。
三、光子学应用光子学的应用广泛涉及通信、信息处理、传感、医疗、军事等领域。
光子学应用最为广泛的是在通信领域，其中最主要的是光纤通信。
利用光纤传输的光信号能够快速、远程、高效地传输信息，因此已被广泛应用于各种网络和通讯设施中。
另外，在信息处理领域，光子学也有广泛的应用，如光学存储器、光学图像处理和光学计算机等。
利用光子学技术可以实现高速、低功耗和大容量的信息处理。
光子学在传感器领域应用也很广泛，如光纤传感技术、光学传感器等。
光纤传感技术已被用于检测物理量、环境变化和安全监控等方面。
此外，在医疗领域，光子学也有应用，如光动力疗法、近红外光成像和激光治疗等。
光子学技术可以用于医学诊断和治疗，具有非侵入性、高分辨率和低损伤等优点。
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
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[111]
[100]
14
电子和空穴
当T>0K时
热激发……
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15
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。
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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
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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
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11
半导体中的能带
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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。
光导纤维
1966年,高锟（Chals Gao） 和霍克哈母(George Hockham) 预言了用基于光学全反射原理 的光导纤维来传输光的的可能性.
双异质结量子阱半导体激光
阿尔菲洛夫（ZHORES I. Alferov） 和克罗默尔(Herbert Kroemer)等 提出了双异质结半导体激光器 新构思, 他们为此而获得2000年 诺贝尔物理学奖
AWG
5
F-1.6G
Optical Amplifier
4
F-400M
400M
试验演示 商用系统
10
3
DFB Laser 1985 1995 1990 (Year) 2000 2005 2010
1975
1980
光互连和 硅基光电子器件
超级电子计算机速度的不断提高和高速数 据交换 期望应用光互连技术 包括:高速数据交换 机柜与机柜间的光纤光互连 插板之间的光互连 芯片之间的光互连 芯片内部的光互连
光子学基础 Fundamentals of Photonics
光现象
西巴布亚岛一个发光的珊瑚
guineafowl河豚 太平洋
光现象
瑰丽海底生物
瑰丽海底生物
海洋生物放射五彩荧光
火山
夏威夷基拉韦厄火山
意大利斯特隆布利式火山喷发
微距照片
苍蝇幼虫
甘肃省张掖市临泽县倪家营镇南台子村
参考书
光盘可以高速复制，生产成本低，在未来信息社会服务业中可 能成为最主要的信息传播媒体。特别是当社会信息（知识）资 源加工业形成规模，全面实现数值化、标准化、网络化和智能 化管理时，光盘将成为个性化实时电子出版物的主要载体。
生物光子学(BIOPHOTONICS) 与激光医疗
-在21世纪的发展前景和重要性决不亚于信息光电子技术.
1. 光子的特性
（1)光子可以传送巨大的信息量。
可见光频率5×1014Hz，比微波段的电 磁波频率1010Hz高3~4个量级，光子可承载 的信息量至少比后者高3~4个量级。 光纤可利用的带宽约为50T，比电子技 术中微波的带宽要高3~4个量级。理论上， 一对单模光纤可以传输2.5亿个话路。
1. 光子的特性
量子通信
利用量子态作为信息载体的通信可能有以下方式
量子密码术（Quantum Cryptography）
－采用量子信息通道传送经典信息（经典随机数） 基于量子不可克隆和测不准原理，保证密码安全性
量子隐形（离物）传态（Quantum Teleportation）
－基于量子纠缠，用量子信息通道传送量子信息
0.1
~1975005
光纤传输容量
10
12
？
114G×320Ch
10
11
H. Wu, CAE, 2008
相干OFDM 多级调制
111G×134Ch
160G×160Ch 85G×40Ch 111G×140Ch 100G×10Ch 170G×8Ch 40G×40Ch 10G×80Ch
（2）光子具有极快的响应能力
常规稳态半导体工作速率限于1GHz(电子脉冲 最窄脉宽限于ns），新的基于量子阱结构的电子 器件可以更快，但难于超过1THz。因此，电子通 信中信息传输速率限定在G b/s量级。 光子脉冲可轻易达到皮秒量级，目前已实现飞 秒，并向阿秒迈进，因此，使用光子作为信息载 体，传输速率可以达到几十、几百个G b/s，甚至 能到几十个 Tb/s。
生物光子学是用光子技术来研究生命奥秘的科学， 它是光子学和生命科学交叉、渗透而产生的边缘学科. 它涉及利用光子学手段对生物系统进行研究与改造， 探测来自生物系统的光子以及这些光子携带的有关生物系统 的结构与功能信息和生物芯片信息探测等. 激光和光纤（传像光纤和传能光纤）技术可能帮助找到攻克 心血管病，癌症等危害人类的疾病的新方法, 包括基于激光的诊断，手术和治疗. 激光光谱分析和激光雷达技术将对环境保护和污染检测 提供有力的手段
10G光纤互连收发模块
2005年2月17日《Nature》杂志上报道: Intel公司研制了世界上第一台连续光喇曼全硅激光器
这是一个光激励全硅激光器件,不是电激励!
主要架构是一个低损耗的S型绝缘层覆硅沟状波导(silicon-
on-insulator rib waveguide)。原始的设计只能操作大约100 ns，而Intel已经找到突破的方法。该公司光子学技术实验室 的负责人Mario Paniccia表示，该小组最大的挑战在于确定 双光子吸收(two-photon absorption)引发的自由载流子吸收 (free carrier absorption)会抑制激光增益，因此他们在波导 中加入一个逆偏压p-i-n二极管(reversed-biased p-i-n diode)； p-i-n二极管会像吸尘器一样清除光路上多余的电子，使硅可 以连续地发出激光。
（二）光子学的发展历程
1. 光子学的发展经历了以下过程：20世纪初爱因 斯坦提出光子学说，建立理论基础；20世纪60 年代发明激光器，解决了产生相干光源难题； 70年代光纤、光子器件和集成技术的突破，确 立了光子学的学科地位；70年代以后，光子材 料、光子器件、光纤通信、光网络的迅猛发展， 加速了光子学从光电子学的初级阶段向全光子 学的高级阶段迈进的步伐；21世纪将向纳米光 子学方向发展。
2. 光子学与电子学的相互关系
（2）全光子过程，电起辅助作用，如各种光 子源（激光器等），全光通信系统。 （3）光电探测及现行的各种光电通信接收系 统，光电子过程。 （4）电致发光及各种电视接收系统等，电光 过程。
1978-79，我国龚祖同在多次学术报告中提到发展光 子学的意义，1979年钱学森在“中国激光”上撰 文，提出光子学、光子技术和光子工业的构想。
2. 光子学的提出
1980-90，光子学和光子技术的概念深入国际 光学届，成为光学科技人员的共识，为政 府部门所认可。
（三）光子学的主要研究领域
• 信息科学 • 生命科学 • 基础光子学
光子学的定义
2、光子学是研究作为信息和能量载体的光子 行为及其应用的科学。 在理论上，光子学主要研究光子的量子 特性及其与物质（原子、分子、电子及光 子）飞相互作用中出现的各种效应及其规 律；在应用方面，其研究内容包括光子的 产生、传输、控制、及探测规律等。 光子学作为一门新兴学科，目前正处于 成长与发展时期，其定义不是最终的。
双异质结半导体激光器原理
1970年，贝尔实验室的 潘尼希（Ｍorton Panish） 和哈亚希(Izuo Hayashi) 成功地实现了 双异质结半导体激光器的 室温连续工作
半导体量子阱激光器
从此，信息光电子技术 迅速实用化和产业化 因对激光及其应用的创 造性贡献而先后获诺贝 尔物理学奖的科学家共 有13位.
（4）光子具有极大的存储能力 光子能进行一维、二维、三维存储，三 维存储容量为（1/λ3)，例如λ=500nm，光子 的存储能力可达1012b/cm3量级。可并行存 取，具有防电磁干扰，具有保密性。
2. 光子学与电子学的相互关系
• 光子学是继电子学之后，在信息领域中与 电子学并行发展而密切关联的一门科学技 术。利用光子学的优越性与电子学的成熟 性相结合可创造出一系列新的奇迹。 • 光子与电子之间的结合，在信息领域有4种 模式： （1)全电子模式，有光参与，只起辅助作用；
10
10
速率 [Mbit/s]×光纤距离[km]
10 10 10 10 10 10
9
波分复用
10 G 10 0G
160G×19Ch 100G×10Ch 2.5G×48Ch
8
7
6
时分复用
445M 2G 800M 100M F-100M F-32M 32M 100M 1.8G
2.5G
20G FA-10G 10G
• B. E. A. Saleh, M. C. Teich. Fundamentals of Photonics. John Wiley & Sons, 2007