子撞他,可以用加热。如果是由光子给这个电子能量,然后这个电子从低的能级到高的能级,这个过程称之为光吸收,是电子受到光子的激发以后的一个光电能量转换过程。第三种现象是,电子从高能级到低能级的跃迁,不是自发产生的,而是有另外一个光子去激发他,然后使他产生电子从高能级向低能级的跃迁。电子的能量将会以一个光子发射出来,这个发射的光子具有与激发光子相同的波长,而且还具有相同的相位。这种发射称之为是受激发射。所以这三种现象在物理上看起来是很简单,但是他们了不起,可以做许多的器件,现在的光子技术,光子器件好多实际上主要依靠就是这三种现象。比如说第一种现象实际上就是我们刚才讲的LED发光二极管就是他,通过电流就可以发光。假如说我采用的材料能级不同,那么他发射出来的波长也不一样,就得到了不同颜色的发光二极管,红的、蓝的、黄的。光的吸收,这个就是光电探测器,把光照到器件上就可以变成电流。比如太阳电池也是光电能量变换器。第三种受激发射,意义更大,这就是激光的工作基本原理,我们知道近代光学或光子学的发展,就是建立在激光发现的基础上的。他是人类利用光的质的飞跃,就是我们人类找到了这个激光。激光是相干的,具有很高的亮度,可以传很长的距离。我们用红宝石的激光器可以从地球打到月球。现在我们讲的光子学,我们讲的光通信、光存储,基本上我们都是要用激光。所以现在各种激光器就成为光子技术的一个源。
所以我这里把光子再做进一步的介绍。这里再提一下光电子,从上面的介绍大家看到这些光子过程,都和电子运动过程有关系,所以早先的时候,人们就把这些器件或者说这些现象,这些效应称之为光电子效应。特别是有一位美国教授写了很有影响的《光电子学导论》。但是实际上真正感兴趣不是这个电子,最后我们关心的是最后产生的光子。所以真正的主角应该是光子。我倾向于把他叫光子学,这个可能比光电子学这个名称更能够说明光子的作用和他的特性。这里跟大家说了一下光子,根据量子力学的原理,光子既是一个粒子又是一个波,所以有的时候我们叫他光子技术,有的时候比如说在光通信中也叫做光波技术,这个是他的两重性,就是光子既是粒子又是波。他的能量相当于他的频率乘上Planck常数,这个就是光子的能量。光子的频率,与光传输的速度和光的波长有关。正是由于光子具有很宽范围的波长,频率或者能量,所以也就是说,能够带的信息量,比电子大好多。
概括了前面所讲的以后,我们可以认识到利用光子作为信息的载体,带来了很大的优点,一个就是具有很高的速率,和很宽的带宽。第二,光子或者光波在介质里面传输,特别是我们找到了一个很好的介质,石英光纤,在这里面传输具有很小的损耗。这比电流在铜线里面传输损耗要小。另外,光子不容易被分流,也不容易被-。所以光纤在传输的时候,他具有高度的保密性。特别是现在强调信息的保密,用光子作为通信的载体,比电子要好。第四,刚才提到光子没有电荷,不容易受到电磁场的影响,不容易受到干扰。还有,由光子器件、光纤等做成光的设备,就比一般的电子设备更小、更轻,这个优点,比如可以用在航空器、飞机上,就很重要。还有一个特点,光纤耐温很高,即使其他的地方烧毁,光纤还能通光,他的可靠性非常高。再加上,在发展微电子技术中应用的那些半导体制造工艺,可以用于发展光子器件,比如说制造激光器、探测器、和其他的光集成器件。
光能够传递信息的能力。这个是电磁波谱图,我们先看右面,大家可以看到这是波长,单位是微米。十的六次方微米就是一米,所以这个地方是一米。从一米到一毫米是电子无线电波的微波波段。一米以上大概到一千米,属于无线电波范围。再上面就是属于长的电磁波范围。从一毫米以下属于光波范围,一直可以到十的负二次方微米,也就是相当于十纳米。将这一段放大,放到图的左面,就是说从十的六次方纳米,一直到十纳米,差不多有十的五次方,相当于十万倍的数量。其中很小的一部分从760-390纳米是属于可见光范围,红的到紫的,红的以上叫红外,有超远红外、远红外、中红外、近红外。紫外有超远紫外、远紫外、近紫外等等。我们利用光子,可用的范围很广,现在光纤通信,使用的光波范围只是很小一部分。大概用多少?充其量是从1.2个微米到1.7个微米。就是说1200微米到1700微米,仅仅这一段能够传输的信息量已经不得了了,可达75Tb/s。
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