光量子假说到激光技术 张安玉

2.2.4假说内容
光子有速度、能量、动量、质量，有凝聚。光子不可能静止。光子可以变成其它物质（如一对正负电子），但能量守恒、动量守恒。
2.2.5光量的性质
光子具有波粒二象性，即说光子既具有一粒一粒的粒子的特性又有像声波一样的波动性。当时间为瞬时值时，光子以粒子的形式传播；当时间为平均值时，光子以波的形式传播。光子的波动性有光子的衍射而证明，光子的粒子性是由光电效应证明。
3、激光技术
3.1.1激光技术的发展历史
激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。现已发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X射线到远红外。激光技术的核心是激光器，激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。根据不同的使用要求，采取一些专门的技术提高输出激光的光束质量和单项技术指标，比较广泛应用的单元技术有共振腔设计与选模、倍频、调谐、Q开关、锁模、稳频和放大技术等。
2.2.1光量子
光量子，简称光子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子（如电子和夸克）相比，光子没有静止质量（爱因斯坦的运动质量公式m=m0/sqr[1-(v/c)2]中，光子的v = C，使得公式分母为0，但光子的运动质量m具有有限值，故光子的静止质量必须为零。
1905年，年轻的科学家爱因斯坦发展了普朗克的量子说。他认为，电磁辐射在本质上就是一份一份不连续的，无论是在原子发射和吸收它们的时候，还是在传播过程中都是这样。爱因斯坦称它们为“光量子”，简称“光子”，并用光量子说解释了光电效应，这成为爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖的主要理由。其后，康普顿散射进一步证实了光的粒子性。它表明，不仅在吸收和发射时，而且在弹性碰撞时光也具有粒子性，是既有能量又有动量的粒子。如此，光就既具有波动性（电磁波），也具有粒子性（光子），即具有波粒二象性。后来，德布罗意又将波粒二象性推广到了所有的微观粒子。
根据计算：
中子的质量：1.674927211（84）×10-27千克；中子的半径：1.11337557（48）费米；
质子的质量：1.672621637（83）×10-27千克；质子的半径：1.11286448（48）费米；
电子的质量：9.10938215（45）×10-31千克；电子的半径：0.090880914（40）费米；
上面有人认为光子的动质量为零是错误的，光子的静质量为零，否则的话其动质量将为无穷大。但其动质量却是存在的，计算方法是这样的：首先，由于频率为v的光子的能量为E=hv，（其中h为普朗克常数），故由质能公式可得其质量为：
其中c2表示光速的平方，该方法由爱因斯坦首先提出。
经典的波有群速度与相速度之分。对于光子而言，光子的速度就是光速。
光子的概念是爱因斯坦在1905年至1917年间提出的，当时被普遍接受的关于光是电磁波的经典电磁理论无法解释光电效应等实验现象。相对于当时的其他半经典理论在麦克斯韦方程的框架下将物质吸收和发射光的能量量子化，爱因斯坦首先提出光本身就是量子化的，这种光量子被称作光子。这一概念的形成带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展，例如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计诠释、量子光学和量子计算等。根据粒子物理的标准模型，光子是所有电场和磁场的产生原因，而它们本身的存在，则是满足物理定律在时空内每一点具有特定对称性要求的结果。光子的内秉属性，例如质量、电荷、自旋等，则是由规范对称性所决定的。
爱因斯坦等人的工作证明了光子的存在，随之而来的问题是：如何将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来呢？爱因斯坦始终未能找到统一两者的理论，但如今这个问题的解答已经被包含在量子电动力学和其后续理论中。
2.1.2光子的提出
早在1900年，M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hν；1905年阿尔伯特•爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。
光子的质量：9.347543（38）×10-36千克；光子的半径：0.0031349374（29）费米。
光子的能量：4.200577（17）×10-19焦耳，2.621794（11）电子伏特；
光子的频率：6.339470（26）×1014赫兹；
光子的波长：472.8983（20）纳米，正好位于青蓝色的光的波长的中心位置473.5纳米附近。
a)光子可能加快时光进程，促进毁灭。但又能乘载我们穿越时光。
b)能量光子具有释放作用，改变作用，穿越作用和超穿越作用。
c)能量光子具有双反的改变作用。
粒子和其反粒子的湮灭过程一定产生至少两个光子。 原因是在质心系下粒子和其反粒子组成的系统总动量为零，由于能量守恒定律，产生的光子的总动量也必须为零；由于单个光子总具有不为零的的动量，系统只能产生两个或两个以上的光子来满足总动量为零。 产生光子的频率，即它们的能量，则由能量-动量守恒定律（四维动量守恒）决定。 而从能量-动量守恒可知，粒子和反粒子湮灭的逆过程，即双光子生成电子-反电子对的过程不可能在真空中自发产生。
关键词： 光量子假说 激光技术 应用
1、引言；
光量子假说，是爱因斯坦在当时缺乏足够实验结论的情况提出的大胆假设，虽遭到反驳但最终被证实是正确的，在法布里坎特提出粒子束反转后，使爱因斯坦手机辐射理论向构思激光器技术原理迈出了极为重要的一步。内容是：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是E=hν，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p=E/c=h/λ。
光子的概念也应用到物理学外的其他领域当中，如光化学、双光子激发显微技术，以及分子间距的测量等。在当代相关研究中，光子是研究量子计算机的基本元素，也在复杂的光通信技术，例如量子密码学等领域有重要的研究价值。
与此同时，由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达四十多年（1860-1900）的研究因普朗克建立的假说而得到终结，普朗克提出任何系统发射或吸收频率为 的电磁波的能量总是 的整数倍。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应作出解释。爱因斯坦的理论先进性在于，在麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的，能够具有任意大小的值，而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的，这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值；而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的 。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上，很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。在1909年和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有hν∕c的动量，以赋予它们完美的粒子性。光子的动量在1926年由康普顿在实验中观测到。
2.2.3光子的作用
光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量，是点阵粒子，是圈量子粒子的质能相态。光子的主要作用有：
然而，麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能解释光的所有性质。例如在经典电磁理论中，光波的能量只与波场的能量密度（光强）有关，与光波的频率无关；但很多相关实验，例如光电效应实验，都表明光的能量与光强无关，而仅与频率有关。类似的例子还有在光化学的某些反应中，只有当光照频率超过某一阈值时反应才会发生，而在阈值以下无论如何提高光强反应都不会发生。
与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质（关于光子的波动性是经典电磁理论描述的电磁波的波动还是量子力学描述的几率波的波动这一问题请参考下文波粒二象性和不确定性原理）；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的波那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量，即： 这里是普朗克常数，是光波的频率。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，不过由于有量子力学定律的制约，单个光子没有确定的动量或偏振态，而只存在测量其位置、动量或偏振时得到对应本征值的几率。
从光量子假说到激光技术——理论应用于实践
摘要：
本文主要介绍从人们开始研究光，到爱因斯坦光量子假说的提出，并最终将理论应用于实践的历程。从提出的背景、过程以及理论实践证实来介绍“光量子假说”，并从光量子的角度解释了激光技术的基本原理，阐释了两者之间的关系，并对激光全息实验做了介绍，分析了目前激光技术的主要应用。旨在介绍从“光量子假说”到激光技术的发展历程。
③激光通信技术。激光通信容量大、保密性好、抗电磁干扰能力强。光纤通信已成为通信系统的发展重点。机载、星载的激光通信系统和对潜艇的激光通信系统也在研究发展中。
2.2.2光子的结构
所谓光子结构的测量，在量子电动力学中是指观测光子场的量子涨落，这种能量涨落用一个光子的结构方程来描述。对光子结构的测量一般都依赖于对光子与电子，以及正负电子的对撞时的深度非线性散射的观测。根据量子色动力学，光子既能以无尺寸粒子，即轻子的方式参与相互作用；也能以一组夸克和胶子的集合体，即强子的方式参与。决定光子结构的并不是像质子那样由传统的价夸克分布，而是由轻子的涨落而形成的部分子的集合。能量光子从结构上来说是创造光和能量的，也是释放光和能量的。
为了满足军事应用的需要，主要发展了以下5项激光技术：