光电子学-1-第一章

1887年，赫兹发现的光电效应又导致了第三次 微波战争。
029
微波战争战况
第三次微波战争:(1905-) 结果：双方言和，共存共荣，光的波粒二象性初 步确立。 关键战役： ①1887年，迈克尔孙与莫雷的“以太”漂移实验， 基本否定了以太的存在。 ②普朗克的量子化假设与爱因斯坦的光量子假说 对光电效应的完美解释； ③密立根的油滴实验证明了电荷的量子性； ④康普顿的散射实验证明了X射线的微粒性。 ⑤乔治.汤姆孙证明电子束具有波的性质。
惠更斯与光的波动说
光是一种机械波；光波是靠物质载体来传播 的纵波，传播它的物质载体是wenku.baidu.com以太”；波 面上各点本身就是引起媒质振动的波源。
这一理论较好地解释了光的衍射、双折射现 象及著名的牛顿环实验。 就在惠更斯宣传波动理论时，牛顿的微粒说 也逐步建立起来了。
022
托马斯.杨与光的波动说
(《光纤通信技术》英文影印版)，
Djafar K. Mynbaev, Lowell L. Scheiner
科学出版社，2002年。
004
考察方式
1.平时成绩：20%（出勤与作业）
2.半期考试：20% 3.期末考试：60%
005
本次课的重点
1.从光学到光电子学。回顾光学 发展史，说明光的本性及光学对 近代科学的影响。
光电子学基础
Fundamentals of Optoelectronics
主讲教师：陈开鑫
001
教
材：光电子学基础
作
者：朱京平 老师
西安交通大学
出版社：科学出版社
2008年6月
002
参考书目：
1.《光电子技术》 姚建铨，于意仲 高等教育出版社 2006年 2.《光电子技术基础》 杨小丽 北京邮电大学出版社 2005年
光电子学
微 波 战 争
034
对 光 的 波粒二象性 光电效应 本 质 量子论（普朗克） 相对论（爱因斯坦） 认 黑体辐射 以太 识 的 惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 1690 波动说 二 千 微粒说 牛顿、拉普拉斯、 泊松 1672 五 百 波动说 格里马第、笛卡儿、胡克 ~1655 年 公元前500 微粒说 恩培多克勒
024
之后，夫琅禾费首次用光栅研究了光的衍 射现象。施维尔德则根据光的横波波动学 说，对这一衍射现象进行了成功解释。
025
对 光 的 本 性 认 识 的 二 波动说 千 五 微粒说 百 波动说 年 微粒说
惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 1690 牛顿、拉普拉斯、 泊松 格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
3. 《光电子技术基础教程》，郭培源，梁丽
北京航空航天大学出版社，2005年。
003
4.《光电子技术－信息化武器装备的新天地》
（第二版）梅遂生，王戎瑞
国防工业出版社，2008年。 5《固体光电子学》傅竹西 中国科技大学出版社，1999年 6.‘Fiber-Optic Communications Technology’
播、反射、折射；色光的 合成与分解、牛顿环、薄 膜透光等，大微粒-红光， 小微粒-紫光 进攻武器：光的直线传
播 司令：牛顿，泊松 软肋：光的独立传播、干
涉、偏振、衍射
重要结论：C空<C水
重要结论：C空>C水
027
微波战争战况
第一次微波战争:(1655-1704) 导火索：格里马第的小孔实验与猜想
结果：微粒军团胜利；
1801 年，进行了著名的双缝干涉实验，证明 了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。 同年，发表论文首次提出光的干涉的概念与 干涉定律。 1817 年，放弃了惠更斯关于光是纵波的说法， 提出光是横波的假说，从而比较成功地解释 了光的偏振现象。 他第一个测量了7种光的波长，最先建立了三 原色原理：指出一切色彩都可以从红、绿、 蓝这三种原色中得到。
【问题】何谓光的偏振？何谓纵波？何谓横波？ 为什么可以从光的偏振现象推断光是横波？
020
对 光 的 本 性 认 识 的 二 波动说 千 五 微粒说 百 波动说 年 微粒说
惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 牛顿、拉普拉斯、 泊松 格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
1690 1672 ~1655
021
公元前500
微粒说能解释：光的直线传播、反射、甚至折射
013
对 光 的 本 性 认 识 的 二 千 五 百 波动说 年 微粒说
格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
~1655
014
公元前500
波动说
1655-1672
光的本性：光是一种波动
• 代表人物及其贡献：
1. 格里马第：波动说最早的倡导者。认为光可能是一种能 够做波浪式运动的流体，不同颜色可能是波动频率不同 的结果；首次发现了光通过两个孔后的干涉条纹；首次 发现了光的衍射现象，首次提出了“光的衍射”概念。
018
泊松与泊松斑 泊松发现，按照菲涅尔的波动理论，在圆 盘衍射时，衍射的阴影中间会出现一个亮 斑，泊松认为这是荒谬的，因为这违背了 常识，也违背了他支持的微粒说。但菲涅 耳的同事阿拉果在关键时刻坚持要进行实 验检测，结果发现真的有一个亮点如同奇 迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置、 亮度和理论符合得相当完美。 这反而证实了波动理论的正确
2. 笛卡尔：认为光是压力在“以太”中的传播；对人眼进 行了光学分析，解释了视力失常的原因，设计了眼镜。
3. 胡克：提出了光是“以太”的一种纵波的假说；也认为 光的颜色是由其波动频率决定的；
015
谈谈胡克： ① 发现了植物的细胞； ② 发明和制造的仪器（如显微镜、发条摆轮、 轮形气压表等）在当时无与伦比； ③ 发现的弹性定律是力学最重要的定律之一
量子论 相对论
036
光？ Light？
037
光的波粒二象性 历次的微波战争最终深化了人们对 光的本性的认识，截止目前，人们 普遍性地承认光既是粒子也是波， 或者说光具有波粒二象性。
光的产生与接收：粒子性 光的传播：波动性
【问题】光的波粒二象性是对光的本性的终极认 识吗？
038
本课程重点内容
2.光电子学学科介绍
006
“ 光”是人类首先最
想要弄清楚的东西。
007
神 话 中 ， 往 往 是 “一道亮光”劈开 了混沌和黑暗。
008
《圣经》里，神要 创造世界，首先要 创造的就是“光”。
009
“ 光”在人们的心 目中，永远代表着 生命，活力和希望!
010
光？ Light？
原因：1) 牛顿威望太高；
2) 惠更斯已经去世，菲涅尔还未出 生，波动军团群龙无首。
3) 波动军团的尖端武器 — 光的干涉 还没有被发现。
1801年，托马斯· 杨双缝干涉实验拉开了第二 次微波战争的序幕。
028
微波战争战况
第二次微波战争:(1801-1850) 结果：波动军团胜利； 关键战役： ①托马斯.杨的双缝干涉实验； ②菲涅耳证明光是横波，解释光的偏振； ③泊松根据菲涅耳的波动理论导出存在泊松斑， 阿拉果对泊松斑的实验验证； ④傅科测定空气中光速大于水中。 ⑤麦克斯韦的电磁理论证实光是一种电磁波。
011
对 光 的 本 性 认 识 的 二 千 五 百 年
微粒说
恩培多克勒
公元前500
012
微粒说 公元前500-1655
光的本性：光是一种非常细小的粒子流
• 代表人物及贡献：（牛顿之前）
1. 恩培多克勒：光是从人眼喷出的火元素，当它到达物 体时，我们就得以看见事物 2. 亚里士多德：对眼睛向物体发出光的说法产生疑问， 并对视觉的产生进行了分析。 3. 卢克莱修：光是从光源直接到达人的眼睛的。 4. 欧几里得：《光学》给出了反射定律 5. 阿尔· 哈桑：视觉是有光线进入人眼的结果。
1672
~1655
微 波 战 争
026
公元前500
微粒说
公元前500
波动说 ~1655
光的本性：一种波动，
纵波横波 防守武器： 光的反射、折 射，双折射 进攻武器： 光的干涉、衍 射、偏振、泊松斑、光速测 定 司令：惠更斯、菲涅耳 软肋： 需要传播介质：以 太（密度极低、弹性模量极 大）
光的本性：一种粒子流 防守武器：光的直线传
可是，没人见过，也没人摸到过“以太”
033
对 光 的 波粒二象性 光电效应 本 质 量子论（普朗克） 相对论（爱因斯坦） 认 黑体辐射 以太 识 的 惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 1690 波动说 二 千 微粒说 牛顿、拉普拉斯、 泊松 1672 五 百 波动说 格里马第、笛卡儿、胡克 ~1655 年 公元前500 微粒说 恩培多克勒
023
菲涅尔与光的波动说 1819 年，菲涅尔以惠更斯原理和干涉原理为 基础，用新的定量形式建立了惠更斯 -- 菲涅耳 原理，完善了光的衍射理论，并成功解释了光 的衍射现象及其通过物体附近时的情况，由于 泊松的无心帮助（泊松亮斑），菲涅尔的理论 大获成功。 同年，菲涅尔成功地完成了由两个平面镜所产 生的相干光源进行的光的干涉实验，再次证明 了光的波动理论。 1821 年，他与阿拉果一起研究了偏振光的干 涉，确定了光是横波。
030
对 光 的 本 性 认 识 的 二 波动说 千 五 微粒说 百 波动说 年 微粒说
相对论（爱因斯坦）
以太
惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 1690 牛顿、拉普拉斯、 泊松 格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
1672
~1655
微 波 战 争
031
公元前500
【谈谈以太-前世今生】
① 在古希腊，以太指青天或上层大气。
032
【谈谈以太-应具有的特点】
① 由于光速达到 30万公里 / 秒，因此按照当时的波动理 论，以太的必定是十分的坚硬，比最硬的物质金刚石 还要硬上不知多少倍。 ② 以太是一种刚性的粒子，但是它却是如此稀薄，以致 物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力。“就像 风穿过一小片丛林”（托马斯·杨语） ③ 以太在真空中也是绝对静止的，只有在透明物体中， 可以部分地被拖曳（菲涅耳的部分拖曳假说）。
② 17 世纪，笛卡尔首次将“以太”引入科学，并赋予它 某种力学性质。笛卡尔认为不存在任何超距作用，因 此他认为空间不可能是一无所有的，而是被“以太” 这种媒质充满，尽管它不为人所感知，却能传递力的 作用。
③ 由于光可以在真空中传播，因此惠更斯提出传播光波 的媒介物质“以太”应该是充满包括真空在内的全部 空间。 ④ 19 世纪末 20 世纪初，狭义相对论确立后，“以太”被 物理学家所抛弃。人们接受了电磁场本身就是一种物 质，且可以在真空中传播的观点。
光电子学
欧几里德、亚里士多德、卢克莱修、 阿尔· 哈桑、托勒密、开普勒、费尔 马、波义耳、胡克、马吕斯、阿拉 果、傅科、麦克斯韦、赫兹、基尔 霍夫、迈克尔逊、莫雷、洛伦兹、 薛定谔、德布罗意
微 波 战 争
035
相对论与量子论的重要意义
表面物理、半导体物理 粒子物理、凝聚态物理 天体物理、激光物理学 光电子学、原子物理学 量子光学、非线性光学 集成光学、激光光谱学 量子化学、分子生物学 核物理、低温超导物理 等等 手机 电视 计算机 互联网 集成电路 光纤通信 载人航天 人造卫星 智能导航 无线通信
019
马吕斯、布吕斯特与光的偏振
1809 年，马吕斯在实验中发现了光的偏振现 象，继而又发现光在折射时是部分偏振的。 1811 年，布吕斯特在研究光的偏振现象时， 发现光的偏振现象的经验定律。 这成了微粒说进攻波动说的有力武器，因为此 时，波动理论还认为光是纵波，而光若是纵波 则无法解释光的偏振现象，
第三章.激光原理与技术---光源
第四章.光波导技术基础---传输
第五章.光调制技术---信息加载
第六章.光电探测技术---信息接收 第八章.光通信无源器件---传输控制
039
第一章 绪论
一.光电子学简介
016
对 光 的 本 性 认 识 的 二 千 五 微粒说 百 波动说 年 微粒说
牛顿、拉普拉斯、 泊松 格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
1672 ~1655
017
公元前500
牛顿与光的微粒说 1664 年开始进行光学研究， 1672 年发表论文 《关于光和颜色的理论》，再次提出了光的微 粒说，并极大地丰富了微粒说的内容。牛顿对 光学的贡献： 1. 棱镜的色散实验，发现白光是各种不同颜色 的光组成，并利用微粒说进行了解释，他认 为光的复合与分解就像不同颜色的微粒混合 到一起又分开一样。 2. 认为折射式望眼镜无法消除色散的影响，为 此，设计与制造了第一架反射式望远镜。 3. 观察到牛顿环现象