光子概念發展摘要：本文介紹光子概念的提出、發展過程，光子的一些性質以及基于光子的研究發展起來的光子學技術在現代生活中的應運。關鍵詞：光子，光子學技術引言關于光的認識，歷史上微粒說和波動說爭論了很長時間，一段時間光的波動理論占了上風。后來又發現了黑體輻射，光電效應等經典理論不能解釋的現象，直到普朗克和愛因斯坦提出量子論，愛因斯坦提出光量子（即光子），將微粒說和波動說統一起來，波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。此后，科學家對光子的結構、質量以及電磁性質都做了理論分析和實驗研究，在此基礎上發展起了光子學，在現代軍事、工農業生產、環境保護、醫學等方面都有重要應運。1.微粒說和波動說的爭論關于光微粒說和波動說經歷了很長時間的爭論，后來，以波動說的暫時勝利而結束，建立了光的波動理論，最后也歸結為麥克斯韋方程。2.光子概念發展歷史19世紀末期，物理學理論在當時看來已發展到相當完善的階段，光的現象有光的波動理論，但后來人們發現了一些新的物理現象，如黑體輻射，光電效應，原子的光譜線等，這些現象揭露了經典物理學的局限性，從而為發現微觀世界的規律打下基礎。2.1黑體輻射19世紀中期，當時黑體輻射（black-bodyradiation）正引起物理學家高度的注意。從機器時代開始鐵匠就已經知道把金屬加熱到足夠高的溫度時會發出可見光，在較低的溫度會發出較暗且偏紅的光，在較高的溫度會發出較亮且偏藍的光，由金屬發光的亮暗和顏色就可以判斷鐵的溫度是否適當，是否可以打了。在19世紀中期物理學家對熱力學和電磁學已有足夠的了解，他們知道高溫的金屬之所以會發光是由于屬上的電荷因處于高溫狀能而激烈運動因而發出可見光波段的電磁波，并把這種因為溫度造成物體所發出的電磁波稱為黑體輻射。在1850年末期，熱力學和電磁學大師克希何夫（G.R.Kirchhoff）對上述現象感到興趣并開始研究黑體輻射問題。他考慮一個處在某一固定溫度由某種材質所制作的表面上有一小孔的中空容器，并推論如果小孔面積遠小于這容器的內壁面積，由這個小孔離開容器的電磁輻射就相當于黑體輻射。其在各個電磁波段能量的比重（即頻譜）和中空容器的材質與容器的形狀沒有關系，唯一對電磁波頻譜造成影響的只有溫度，很遺憾的是他并無法得到頻譜的溫度函數。在那之后如何由理論或實驗得到頻譜的溫度函數就成為物理學家們的一大挑戰。在此后的40年里，物理學家做了許多精確的實驗，也提出了各種不同的模型和理論來解釋實驗結果。2.1.1斯特藩——玻爾茲曼定律黑體的輻射通量與絕對溫度T的四次方成正比，即：，（1）式中為普實常數(斯特藩——玻爾茲曼常數）。2.1.2維恩定理維恩由熱力學出發，整理實驗數據，得出經驗公式——維恩公式：(2)這個圖在短波部分與實驗結果還符合，但在長波部分則顯著不一致。2.1.3瑞利——瑞利和金斯根據經典電動力學和統計物理學也得出瑞利——金斯定律公式：（圖一）（3）他們的出的公式在長波部分與實驗結果較符合，而在短波部分卻出現發散而失敗，歷史上稱之為“紫外災難難”。圖一2.1.4普朗克輻射公式黑體輻射在普朗克引進量子概念后才得到解決。普朗克假定：黑體以為能量單位不斷連續地輻射和吸收頻率為的輻射。能量單位稱為能量子，是普朗克常量，數值為：基于這個假設，得到了與實驗結果符合的很好的黑體輻射公式:（圖二）（4）圖二普朗克定律描述的黑體輻射在不同溫度下的頻譜式中c是光速，是玻爾茲曼常量，T是黑體的熱力學溫度，但普朗克只是指出電磁輻射只在被發射和吸收時以能量為hv的微粒形式出現。

2.2光電效應光電效應是指，當光照射到金屬時，有電子從金屬中逸出，這種電子稱為光電子。2.2.1光電效應無法用經典電磁理論解釋的主要實驗結果光電效應無法用經典電磁理論解釋的主要實驗結果有下述三點：（1）光電子的最大初動能與入射光的強度無關，而只與入射光的頻率有關，頻率越高，光電子的動能越大。按照經典理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強度，即只與電磁波的振幅有關，而與電磁波的頻率無關。（2）入射光有一極限頻率，頻率低于此極限頻率的任何光，無論其強度如何，照射時間多長，都無法產生光電子。這也是經典理論無法解釋的，因為電子獲得能量本來應與光強度和照射時間成正比。（3）“光電效應的瞬時性”也與電磁波理論相矛盾，因為根據電磁理論，對很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不可能瞬時產生光電子的。2.2.2愛因斯坦光量子愛因斯坦根據光電效應的實驗事實提出光量子（即光子）的概念。光束是由光粒子構成的，即光的能量不是連續分布在空間，而是集中在光粒子上，這種光能量最小單位叫做光子，光子的能量E、動量P、質量m與其波長或頻率的關系為，，（5）光子即是粒子又是波，光子的特征可用粒子性的物理量（E和P)和波動性的物理量（）來描述。愛因斯坦指出，電磁輻射不僅在被發射和吸收時以能量為的形式出現，而且以這種方式以速度c在空間運動，用這個觀點，愛因斯坦成功地解釋了光電效應。按照愛因斯坦的觀點，當光照到金屬表面時，能量為的光子被電子吸收，電子把這能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引，另一部分就是電子離開金屬后的動能，即:（6）式中為電子質量，是電子脫離金屬表面后的速度，是金屬對電子的束縛能，如果光子能量小于，則沒有光電子產生，光的強度只影響光電子的數目。康普頓效應的發現，從實驗上證實了光具有粒子性。實際上,被束縛在金屬之中的電子,當它吸收光子后,把多余的動量傳遞給質量很大的金屬原子，因此在這個效應中,單純的對光子和電子的系統而言動量是不守恒的,但是對光子、電子及金屬原子整個系統來說,動量是守恒的。2.3原子光譜光譜是電磁輻射的波長成分和強度分布的記錄，有時只是波長成分的記錄。2.3.1氫原子光譜規律人們早就發現氫原子光譜在可見區和紫外區有好多條譜線，構成一個很有規律的系統。1885年從某些星體的光譜中觀察到的氫光譜線已達14種，這年巴耳末發現這些譜線的波長可以納入下列簡單的關系中：（7）其中B=3645.6埃。后人稱這公式為巴耳末公式，他所表達的一組譜線稱作巴耳末系。當，波長趨近B，達到這線系的極限，這時二鄰近波長差別趨近零。如果令稱波數，巴耳末公式可改寫如下：（8）。這式中稱里德伯常數，測得：當，改為，表達線系限的波數。氫原子其他線系簡單的公式表達如下：賴曼系，巴耳末系，帕邢系，（9）布喇開系，普豐特系，氫原子光譜的波數可以表達為，（10）式中m=1，2,3，…；對每一個m,n=m+1,m+2,m+3，…，構成一個譜線系。可以看到，每一譜線的波數都等于兩項的差數。如果令和，那么，T稱為光譜項。氫原子的光譜項普遍等于，n=1,2,3,…。以上是氫原子光譜的情況，可以總結為下列三條：光譜是線狀的，譜線有一定的位置，也就是說，有確定的波長值，而且是彼此分立的。譜線間有一定的關系，不同系的譜線有些也有關系。每一譜線的波數都可以表達為二譜項之差。這里總結出來的三條也是所有原子光譜的普遍情況，所不同的只是各原子的光譜項的具體形式各有不同。2.3.2電子在原子核庫侖場中的運動。考慮電子繞原子核做圓周運動，向心力等于(11)這里，r是電子離原子核的距離，m和電子的質量和速度。原子內部能量由電子的動能和體系的勢能構成。由庫侖力可求出勢能，(12)K是時的勢能。如果把時的勢能定為零，那么勢能(13)那么原子的能量等于E由（11）可推出（14）求得電子軌道運動的頻率為：（15）2.3.3經典理論的困難按照經典電動力學，當帶電粒子有加速度時，就會輻射；而發射出來的電磁波的頻率等于輻射體運動的頻率。原子中電子的軌道運動具有向心加速度，他就應連續輻射，但這樣的推論有兩點與實驗事實不符:原子如果連續輻射，他的能量就逐漸降低，電子的軌道就要連續地縮小。這樣下去，電子軌道會縮小到碰到原子核為止，照這樣推論，所有原子都會變成原子核那么大，才成為穩定不變的，但與實驗測的原子的半徑是米的數量級不符。按照電動力學，原子所發光的頻率等于原子中電子運動的頻率。原子輻射時，其電子軌道連續縮小，由（15）式，軌道運動的頻率就連續增大，那么所發光的頻率應該是連續變化的，原子光譜應該是連續光譜。但事實不是這樣的。2.3.4量子化規律電子軌道的半徑不會縮小到原子核那么大，電子一定在具有米數量級的半徑那樣穩定的軌道上運動。氫光譜的經驗公式：，（16）m和n是整數。按照公認正確的量子論，光能量總是一個單元的整數倍，而每一個單元是，這里是光的頻率，是普朗克常數，給（16）式乘上（c是光速），得到：（17）這式左端是每次發出光的能量，右端也必然是能量，這應該是原子在輻射前后能量之差。如果原子在輻射前的能量是，經輻射能量變為（<）,那么放出的能量顯然等于(18)如果原子能量仍采用負值，比較可以得到：(19)但經驗公式中的R是常數，n是整數，那么式所代表的原子能量只能具有一系列的數值，這些數值是彼此分隔的，不能連續變化。對于氫原子有：(20)此式右側n是整數，其余是常數，可知與能量聯系的電子軌道也是分隔的，半徑有一定數值，不能連續變化。為了進一步推究到與原子內部運動有關的物理量的關系，玻爾根據上述實驗事實的要求，探索得一個結論：原子中能夠實現的電子軌道只是那些符合下列條件的：(21)根據上述結論，氫原子能量為：，n=1,2,3,…(22)玻爾的理論開始時只考慮了電子的圓周運動，即電子只有一個自由度，后來，索末菲等人將玻爾的量子化條件推廣為:(23)q是電子的一個廣義坐標，p是對應的廣義動量。2.3.5氫原子的能級和光譜求得氫原子能量后，就可以求得波數的公式如下：。(24)氫原子光譜項T與原子內部能量E的關系是：(25)圖三是畫出的氫原子電子運動可能的軌道圖，與軌道對應的能級只能有分隔的數值，稱為能級，圖四是按能量大小的比例畫的氫原子可能的能級圖，每一條橫線代表一個能級，橫線之間的距離表示能級的間隔亦即能量的差別。原子從能量為E的定態躍遷到另一個能量為的定態，發射一個光子，其能量為：(26)圖三氫原子電子運動可能的軌道圖圖四氫原子可能的能級圖每一種原子的光譜都不同，氫原子光譜最為簡單，其他原子光譜較為復雜，原子按其內部運動狀態的不同，可以處于不同的定態。每一定態具有一定的能量，它主要包括原子體系內部運動的動能、核與電子間的相互作用能以及電子間的相互作用能。能量最低的態叫做基態，能量高于基態的叫做激發態，它們構成原子的各能級（見原子能級）。用色散率和分辨率較大的攝譜儀拍攝的原子光譜還顯示光譜線有精細結構和超精細結構，所有這些原子光譜的特征，反映了原子內部電子運動的規律性。3．光子的性質3.1質量光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。根據相對論公式：（27）知，光子靜止質量為零，光子的靜止質量嚴格為零，本質上和\o"庫侖定律"庫侖定律嚴格的距離平方反比關系等價，如果光子靜質量不為零，那么庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律。3.2光子的能量每個光子具有能量為能量越高的光子,其頻率也越高,而其波長越短,這時光子顯現的粒子性越強。如X射線，射線。相反，能量越低的光子，則呈現的波動性很強，粒子性很弱，例如無線電波。3.3光子動量光子動量為4．光子學及光子學技術的應運光子學是以光子學的基本原理為基礎，系統地論述了光的輻射、光的吸收、光的色散、光的散射和光的發射等光與物質相互作用的現象。光子學是研究光子的特性、光子與物質相互作用及其應用的一門新興學科，光子學技術是繼電子學之后在信息領域中與電子學并行發展而又密切關聯的一門新興科學技術，它與電子學技術一起扮演著信息化社會兩大關鍵支柱的重要角色。4.1光纖傳感在信息靈敏獲取中的應用4.1.1光纖傳感器的發展光纖傳感器是利用光纖獲取信息的一種技術。光纖是利用光的完全內反射原理來引導光波的一種器件。它由兩層圓柱形介質構成:內層為纖芯，外層為纖皮，纖芯的折射率比纖皮的稍大，當入射到光纖端面的角度比較小時，光波就能沿纖芯向前傳播，而且光強損失很少。在光學應運領域中，光纖最早用于傳光和傳像。20世紀70年代初期，極低傳輸損耗的光纖問世后，光纖在通信技術中便開始用于實現長距離傳輸信息。與此同時，人們發現外界因素對光纖的作用，會使光纖的物理特性發生變化。于是人們就想到利用這些效應把光纖作為獲取信息的元件，也就是傳感元件，這樣的元件叫做光纖傳感器。與傳統傳感器相比，光纖傳感器有以下優點：極強的抗電磁干擾能力，優良的電絕緣性和耐腐蝕性；靈敏度高；質量輕，體積小，外形可變；測量對象廣泛；對被測介質影響小；便于復用，便于成網。4.1.2光強調制型光纖傳感器它利用外界物理因素（例如壓力、煙塵濃度等）對傳輸中的光強進行調制。改變光纖中傳輸光強的方法很多。其中一種是利用光纖彎曲時傳輸光損耗的增加來改變光強，由此可以構成很多不同用途的傳感器。例如：制作報警傳感器，確定環境中核輻射強弱的傳感器，檢測煙塵含量的環保器等。X射線，射線等輻射，會使光纖材料的輻射損耗增加，從而使光纖的輸出功率下降。利用這一特性，可以構成光纖核輻射探測器。4.1.3相位調制型光纖傳感器這類光纖探測器是利用外界因素使光纖中光波相位發生變化以探測各種環境參量。這類傳感器具有靈敏度高，靈活多樣，對象廣泛，需特種光纖的特點。根據傳統的光學干涉儀的原理，目前已研制成馬赫-曾德爾型光纖干涉儀、法布里-珀羅光纖干涉儀、環形腔光纖干涉儀等，并且都已用于光纖傳感。另外還有偏振態調制型光纖傳感器，波長調制型光纖傳感器，傳光型光纖傳感器等。4.2光子學技術在信息傳輸中的應用4.2.1光子學技術在信息傳輸中的發展把光子作為信息載體，是20世紀中的一個劃時代變化，就是用光纖通信代替\t"/165/_blank"電纜和\t"/165/_blank"微波通信，簡言之，信息的傳輸發生了本質性變革。1978年前一條10公里長的光纖，最高傳輸率為1Gb/s，稱為第一代光纖通信；三年以后第二代光纖通信由于應用了單模光纖和處于熔石英光纖最低色散波長（1.3um）的半導體激光器和\t"/165/_blank"探測器，光信號可以在光纖內以均勻速度傳播，傳輸容量增加了近10倍；第三代光纖通信由于應用熔石英光纖的最低損耗波長（1.55um），配上該波長的半導體激光器，使無中繼傳輸距離和傳輸容量又能好幾倍的提高。在本世紀末期由于光子學技術的發展，產生了光學放大器，特別是半導體激光器光泵的摻鉺的光纖放大器，由于光信號的直接放大，不受信號偏振方向的影響，有很好的保真度，很快達到實用價值，另一項有重大實用價值的光纖通信的突破是波分復用技術，即同一路光纖中傳輸若干個不同波長的光信號。用外調制的分布反饋激光器達到高的信號傳輸率，用光纖\t"/165/_blank"寬帶\t"/165/_blank"耦合器將N種波長的激光信號耦合入一條公用傳輸光纖，在信號終端用光纖柵濾器，分離出N個波長的載波激光，經檢波器將信息解出。這種波分復用技術，使信息傳輸率增加了N倍。在光子集成回路再加入寬增益頻帶的鉺光纖放大器，可稱為第四代光纖通信。

從傳統的以光強度調制方式和直接檢測方式的非相干光光纖通信改換成以相位調制方式和差分檢測方式的相干光光纖通信，可使信號傳遞得更遠。在相干光通信中需要有頻率和相位穩定的激光光源。成功的相干光通信可使信息傳遞距離邁入1000公里的紀元。在一條理想的光纖內，“孤立子“可以無限遠地傳播。在光纖中孤立子的形狀是由克爾效應和色散效應的補償來保持。孤立子的強度衰減用光纖放大器來補償。用皮秒（10－12）激光脈沖，使孤立子彼此間不相互重疊。在“零誤碼“情況下，孤立子可以在光纖中傳遞萬里之遠。孤立子傳輸中同樣可以用波分復用技術來增大傳遞信息的容量。光孤子通信目前還處于實驗研究階段，但已在現有通信線路上進行了若干成功的現場實驗。

4.2.2光通信的優點（1）光纖具有極寬的頻帶；（2）光纖的尺寸小、質量輕；（3）傳輸損耗低；（4）抗電磁干擾；（5）保密性強；（6）節約有色金屬。4.3光子學技術在高