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
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
【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
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，
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’
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。
(《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。
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
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）。
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。
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“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
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
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
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。
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
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。
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。
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
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；
1672