光子学物理基础D
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。
光子物理知识点总结图
光子物理知识点总结图**1. 光子概念**光子，又称为光子，是光和其他电磁波的基本粒子。
光子取自于“光”的原意，表示光波的微粒。
光子是一种质量为零、自旋为1的玻色子，它的能量与频率成正比，遵循普朗克关系E=hν。
根据这个公式，我们可以得出光子的能量和频率成正比，当光子的频率越高时，其能量也越大。
光子在量子力学中扮演着重要的角色，它是电磁波的粒子性质的体现。
光子还具有波粒二象性，既可以表现出波动的性质，又可以表现出粒子的性质。
这一性质是量子力学的基本原理之一。
**2. 光子的产生**光子的产生主要有两种方式：一种是原子释放光子，另一种是加速电荷释放电磁辐射产生光子。
原子释放光子是指原子中的电子跃迁发生变化时释放光子。
当原子的外层电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会释放出特定频率的光子。
这种现象被广泛应用于激光技术和光学通信领域。
加速电荷释放电磁辐射产生光子是指当带电粒子受到加速时，会释放电磁波，这些电磁波也就是光子。
这一现象被广泛应用于X射线、γ射线等辐射的产生。
**3. 光子的传播**光子是电磁波的微粒，它在真空中的速度是恒定的，即光速。
在真空中，光速是固定的，等于299792458米/秒。
这一性质是光子能够在宇宙中迅速传播的关键原因。
在介质中，光子的传播速度会发生变化，一般来说，介质的折射率越高，光子的传播速度就会越慢。
这一现象在光学领域中有重要的应用，如光在不同介质中的折射现象以及光的色散现象都与光子在介质中的传播速度有关。
**4. 光子的相互作用**在物质中，光子可以与物质相互作用，这一相互作用主要有三种形式：散射、吸收和发射。
散射是指光子在物质中的传播方向发生改变的现象。
散射可以分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指光子与物质相互作用后，能量、动量、频率等都不发生变化，只是传播方向发生了变化。
非弹性散射是指光子与物质相互作用后，能量、动量、频率等发生了变化。
吸收是指光子被物质吸收的现象。
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。
光子物理知识点总结大全
光子物理知识点总结大全光子物理是研究光子的物理性质和行为的一个重要领域。
光子是光的基本组成单位，是一种质量为零的粒子，具有能量和动量。
在量子力学的框架下，光子被视为电磁辐射的量子，是自然界四种基本相互作用力中的电磁相互作用的传播介质。
光子物理的研究对象包括光子的产生、传播、相互作用等方面的基本物理过程。
近年来，随着光子技术在通信、医疗、能源等领域的广泛应用，光子物理的研究和应用也日益受到关注。
本文将系统地总结光子物理的相关知识点，帮助读者更好地理解光子的物理性质和行为。
一、光子的基本概念1. 光子的概念来源光子的概念最早由爱因斯坦在1905年所提出，他认为光子是光的基本组成单位。
在他的阐述中，光子具有能量和动量，可以以粒子的形式解释光的各种现象。
这一概念为后来的量子理论奠定了基础，成为了光的微粒说的重要支持。
2. 光子的性质光子是一种零质量的粒子，具有电磁波的波动特性和粒子的粒子性。
光子的能量和动量与其频率和波长有关，其能量E与频率ν之间的关系由普朗克公式E=hf给出。
光子的波动性在干涉和衍射实验中得到证实，而其粒子性则在光电效应和康普顿散射等实验中得到论证。
3. 光子的产生和消失光子可以通过原子和分子的电磁辐射过程产生，也可以通过光电效应、康普顿散射等过程被吸收或散射而消失。
在原子外层电子受到激发时，会向外辐射或吸收光子，从而产生原子的发射光谱。
4. 光子的相对论性质根据相对论理论，光子的能量与频率之间的关系为E=hν，其中h为普朗克常数。
光子的能量也可以用动量p和光速c来表示，即E=pc。
相对论性质使得光子具有一系列独特的性质，对于光速的不变性、质能等效原理等有重要的意义。
二、光子的产生和传播1. 光子的产生光子可以通过不同的物理过程产生，其中最常见的是电磁辐射过程。
当原子或分子的电子受到激发时，会向外辐射光子，形成光谱。
此外，激光器、光电管等装置也可以产生光子。
2. 光子的传播光子是电磁波的量子，在真空中传播的速度为光速c。
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。
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。
高三物理选修光子知识点
高三物理选修光子知识点光子是物质和辐射的基本单位，也是光的基本粒子。
光子具有粒子性和波动性两个方面的特性，其知识点主要包括光的粒子性、波动性、光的衍射和干涉等方面。
以下将对高三物理选修光子知识点进行详细介绍。
一、光的粒子性光的粒子性是指光的特性可用光子的概念来描述。
光子是光的能量子，其能量与频率成正比。
光的粒子性可以通过光电效应和康普顿散射实验进行验证。
1. 光电效应光电效应是指当光照射到金属表面时，即使光的强度很小，也能够将电子从金属中逸出的现象。
根据爱因斯坦的光量子假设，光束可以看作由许多能量确定的光子组成，因此光电效应的发生可以解释为光子与金属电子的相互作用。
2. 康普顿散射康普顿散射是光子与自由电子碰撞后发生散射的现象。
根据光子的粒子性，可以将光子看作具有动量和能量的粒子，康普顿散射实验证明了光子存在动量和能量的传递过程，从而验证了光的粒子性。
二、光的波动性光的波动性是指光具备像波一样传播和互相干涉的特性。
波动性可通过干涉、衍射和偏振等现象来解释。
1. 干涉干涉是指两束或多束光相遇时所产生的互相增强或互相抵消的现象。
干涉现象可以用光波的叠加原理解释，光波的振幅叠加会产生干涉条纹。
2. 衍射衍射是指光通过一个孔或一个物体边缘时，光波的传播受到衍射效应的影响，出现偏向光的现象。
根据赫兹的波动理论，衍射现象可以通过波动处理来解释，光的波动性得到了验证。
3. 偏振偏振是指光波中的电场矢量只在某一方向上振动的特性。
光的偏振现象可以通过通过偏振片的作用来实现，偏振片只允许特定方向的光通过。
偏振现象是光波的波动性的表现。
三、光的衍射和干涉1. 衍射的特点光的衍射是光波传播时产生的偏向和辐射的现象，它是光波的波动特性的体现，与波长有关。
衍射现象的主要特点是衍射角度和孔的尺寸有关系，小孔对应大衍射角。
2. 干涉的特点光的干涉是两束或多束光相遇时产生的互相干涉的现象，它是光波的波动特性的体现。
干涉现象的主要特点是存在明暗相间的干涉条纹，条纹间距与波长有关。
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量子光学中把光看成量子化的 辐射场，其量子就是光子；量子辐 射场遵循量子力学的规律。 (量子力学的基本假设…)
1. QED 和量子光学中的光子
(1) 腔模的量子化 (cavity mode)
在一个谐振腔中，电磁场可以用一系列的本 征振动来表示。这些本征振动就是腔模。 当讨论电磁场的量子行为时，需要将电磁场 量子化，得到相应的量子力学描述方式。
(2) 振幅压缩态(Amplitude squeezed state) (光子数压缩态 photon-number squeezed state)
辐射场的另一对算符
[n,sin ] i cos
故
1 2 2 ˆ ) 2 cos ˆ ˆ (n) ( sin 4
Fano因子
2 n Fn n
n Fn 1 n
Fn 1 n
对于相干态光场
热光场
亚泊松光场
Fn 1
产生亚泊松分布光场的光源只有不多的 几种，其中最重要的一种是高阻恒流源驱动的 发光二极管(LED)或激光二极管(LD)，或利用 反馈控制驱动电流的方法在LED或LD产生。
高阻恒 流源
实例： 星光
月光 室内 阳光下 激光
106
108
1012
1014
10 22 (
10 mW H e - N e , 20 m
直径光斑)
与之相联系的是平均光子通量
(r )dA
(2-5-17)
单位是 1 s。
另 一 个 重 要 的 量 是 平 均 光 子 数 (mean number of photons)
3. 压缩态光场(Squeezed state) (1)正交分量压缩态(quadrature squeezed state)
ˆ 量子光场其场算符 a 不是厄米算符，不对应可 观测量。满足的对易关系是
ˆ ˆ [ a, a ] 1
(2-5-30)
ˆ 我们将其分解成 a X iY ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ a X iY
1 n n p( n) ( ) n 1 n 1
p(n)
1 n 1
均方差
nn
2 n
2
0
n
信噪比
n SNR n 1
亚泊松分布光源(sub-poission)
上述两种光源都属于经典光源，这种光源 发出的场是经典光场。当光场的光子数分布 比泊松分布窄时，这种统计性在经典范围中 没有对应，称为亚泊松分布光场,属于非经典 光场(非经典光场还有其它类型)。
(2-5-34)
对于相干态光场
ˆ ) 2 (Y ) 2 1 ˆ (X 4
(2-5-35)
称最小测不准态。真空态也满足上式。
若使一种光场的两个分量的均方差不同，
例：
ˆ )2 1 (X 4 ˆ )2 1 (Y 4
(2-5-36)
并使不破坏测不准关系，但有一正交分量的均 方差小于相干态光场的对应量，有了低于量子 标准噪音的特性(真空态为标准)，称正交分量 压缩态光场。 正交分量压缩态产生的方法有很多非线性 过程，最重要的是四波混频和简并参量下转换 过程。
E n T h
(2-5-18)
即时间间隔T内接收的光子数。
(2) 光子数统计(photon number statistics) 光子流到达探测器时，即使是恒定光强的情 况，单个光子的到达也是具有随机性。
I(t)
t
t
经典的光强只能确定平均通量密度， 而不同的光源所具有的性质决定了光子数的 涨落。
ˆ X
(2-5-31)
ˆ , Y 称场振幅的正交分量 (quadrature)算符， 对应可观测量。
ˆ 1 ˆ ˆ X (a a ) 2 ˆ 1 (a a ) ˆ ˆ Y 2i
显然
ˆ ,Y ] i [X ˆ 2
(2-5-33)
因之
ˆ ) 2 (Y ) 2 1 ˆ (X 16
n exp( n) p( n) n!
n
(n 0, 1, 2, ) (2-5-21)
峰值在 n 附近。
均方差(variance)
n n n
2 n 2
2
(2-5-22)
故信噪比(signal-to-noise ratio)
n SNR 2 n n
2
(2-5-23)
热光源(thermal light)
ˆ qq
量子条件
Hamiltonian
ˆ p p
[q, p] i
(a a 1 ) H 2
a 1 2m (mq ip)
(2-5-7) (2-5-8) (2-5-9)
量子单模场的能量
其能量子就是光子。 量子场
1 E n (n ) 2
(2-5-10)
( ) 1 2 (a a ) sin kz E V 0
(2-5-11)
类似可以将多模场量子化
结论是：
谐振腔中 的光场，由一系列量子化的腔模 场组成，每个腔模场都包含着整数个光子。这 些腔模场的性质，例如频率、空间分布、传播 方向、偏振等，都与光子紧密联系。
h
photon position 在空间找到光子的几率与该处的经典光强 相联系
p(r )dA I (r )dA
photon momentum
p k
与它对应的平面行波的波矢相联系。
photon polarization and spin
s
相干态光源(coherent state)
ˆ 相干态是算符 a 本征态
a
(2-5-19)
n n!
一般为复数。用数态表示相干态
e
1 2
2
n
n
(2-5-20)
理想的单模激光器非常接近相干态光源,其发出 的光的光子数分布满足Poission distribution
2 2 m 1 2 E x ( V ) q (t ) sin kz 0 2 2 m 1 2 H ( ) q (t ) cos kz y k V 0
其中 q(t ) 是时间演化因子，具有 长度量纲，并满足
(2-5-4)
q 2q 0
(2-5-5)
为标准，
(2-5-39)
现已有多种实验产生这类光场(见前亚泊松 分布光场)
( n )2 0 ，光子数为确定值， 极限情况 ˆ ˆ 数态光场(Fock态)。此时相位无规( sin , cos
称为相位算符)，光强绝对稳定。
应用：低于量子噪音的精密测量、光通信。
腔场的能量
1 1 2 2 H ( 0 E x 0 H y )dV m 2 q 2 p 2 2m 2V 2 (2-5-6)
其中
p mq
因之，我们从运动方程和能量的表述形式看 到，单模腔场的动力学行为就象一个谐振子，q对 应于谐振子的坐标，p对应于谐振子的动量。
这样一来，经典单模电磁场的量子化就可以象 经典谐振子的量子化一样来进行。
左旋偏振 右旋偏振
s 平行 s 反平行
线偏振是这两种自旋态的线性叠加。 近年来，实验已证实光子还具有轨道角动量。 (J.Opt.B: Quant.Semic.Opt. 4 S1 (2002))
2. 光子流和光子数统计(photon streams and photon-number statistics)
以一维谐振腔为例：
B E t D H t D 0 B 0
(2-5-1)
D 0 E B 0 H
边界上 :
(2-5-2)
E0
(2-5-3)
满足上述要求的一个单模场的解 可表示为：
(2)光子光学
光子光学就是为了说明光的量子性 质，在电磁理论的基础上加上简化的QED 或量子光学的一些规则组成的。它常常与 电磁光学相对应，能说明一些经典光学不 能说明的现象，但它并不能代替QED这样 一个完整的理论。 光子光学认为光是由电磁波的能量子 光子组成的。
(3)光子的描述
photon energy
ˆ (n) 2 coher
ˆ , sin
以相干态光场的
若一个光场的光子数均方差
ˆ ˆ (n) 2 (n) 2 coher
则称这光场为光子数压缩态，或振幅压缩态。这类压缩态的 光强涨落小、平稳。光子数分布为亚泊松分布。
ˆ n
的对易关系
(2-5-37) (2-5-38)
(1) 平均光子通量密度(mean photon-flux density) 实际情况中，光探测器测量的是大量光子形成 的光子流。描述光子流的主要参量是平均光子通 量密度 I (r ) (r ) (2-5-16) h
I (r ) 是经典的光强， (r ) 的单位是 1 / s m 2 。