光電子技術(shù)(基礎(chǔ)光學(xué)知識(shí))

第二章光電子技術(shù)的根底光學(xué)知識(shí)2.1光的根本屬性—波粒二重在日常生活中，光是最為人們所熟習(xí)的東西。關(guān)于光學(xué)的研討大約至少可以追溯到2000多年前。約在公元前400多年，中國(guó)的<墨經(jīng)>記載了能夠是世界上最早的光學(xué)實(shí)驗(yàn)以及所獲得的關(guān)于影、針孔成像、鏡面成像、虹霓和月蝕的知識(shí)。差不多一樣的時(shí)期，西方也有不少關(guān)于光學(xué)的實(shí)驗(yàn)和研討，公元前300年，希臘歐幾里得的<反射光學(xué)>里就有光的直線(xiàn)傳播性和反射定律的表達(dá)。光學(xué)作為一門(mén)學(xué)科的真正的開(kāi)展約在17世紀(jì)。由1621年斯涅爾發(fā)現(xiàn)光的折射定律，與早先發(fā)現(xiàn)的光的直線(xiàn)傳播定律和反射定律一同構(gòu)成了幾何光學(xué)的根底。關(guān)于光的本性問(wèn)題的研討和討論很多，最終可以歸納為兩種不同的學(xué)說(shuō)，一種是以牛頓(Newton)為代表的微粒實(shí)際，另一種是以惠更斯(C.Huygens)為代表的動(dòng)搖實(shí)際。微粒實(shí)際以為，光是由發(fā)光體發(fā)出的光粒子〔微粒〕流所組成的，這些光微粒具有質(zhì)量，與普通的實(shí)物小球一樣服從一樣的力學(xué)規(guī)律。而動(dòng)搖實(shí)際那么以為，光和聲一樣是一種動(dòng)搖，是由機(jī)械振動(dòng)的傳播而引起的一種動(dòng)搖。雖然這兩種學(xué)說(shuō)都能解釋光的反射和折射景象，但是，在解釋光線(xiàn)從空氣進(jìn)入水中的折射景象時(shí)，微粒實(shí)際需求假設(shè)水中的光速大于空氣中的光速；而動(dòng)搖實(shí)際那么需求假設(shè)水中的光速小于空氣中的光速。由于當(dāng)時(shí)人們還不能準(zhǔn)確地用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定光速，因此難以根據(jù)折射景象去判別這兩種學(xué)說(shuō)的優(yōu)劣。但由于牛頓在科學(xué)界的祟高聲威，使得光的微粒實(shí)際在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)著統(tǒng)治位置。19世紀(jì)初，楊(T.Young)和菲涅耳(A.J.Fresnel)等人在研討光的干涉、衍射和偏振等景象時(shí)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)搖實(shí)際可以解釋這些景象，而微粒實(shí)際那么無(wú)能為力。1850年，佛科(J.B.L.Foucauｈ〕用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了水中的光速，證明水中的光速小于空氣中的光速。這些現(xiàn)實(shí)都對(duì)動(dòng)搖實(shí)際提供了重要的實(shí)驗(yàn)論據(jù)。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋(J.C.Maxwell)建立了電磁場(chǎng)實(shí)際，并以為光是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，具有普通電磁波的動(dòng)搖特性，為動(dòng)搖說(shuō)建立起更為堅(jiān)實(shí)的實(shí)際根底。但是，從19世紀(jì)末到21世紀(jì)初，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一系列動(dòng)搖實(shí)際難以合了解釋的景象，如黑體輻射、原子的線(xiàn)狀光譜和光電效應(yīng)等。以后，人們?cè)谂忉層嘘P(guān)光和物質(zhì)相互作用的景象時(shí)，越來(lái)越多地認(rèn)識(shí)到必需成認(rèn)光具有粒子特性。1900年普朗克〔M.Planck〕提出輻射的量子實(shí)際,1905年愛(ài)因斯坦〔Einstein〕開(kāi)展了普朗克的量子化假設(shè)，構(gòu)成了一種全新意義的光子學(xué)說(shuō)。這個(gè)光子學(xué)說(shuō)的實(shí)際以為，光是具有一定能量和動(dòng)量的粒子所組成的粒子流，這種服從嶄新量子力學(xué)規(guī)律的粒子稱(chēng)為光子。于是，人們對(duì)光是具有動(dòng)搖和粒子的雙重性質(zhì)，即光具有波粒二重性獲得了較普遍的共識(shí)。2.2光是一種電磁波我們?cè)?jīng)看到，光具有動(dòng)搖性，其動(dòng)搖特性符合電磁波的特征，那么我們有必要再回過(guò)頭來(lái)認(rèn)識(shí)一下電磁波。1864年麥克斯韋發(fā)表了“電磁場(chǎng)的動(dòng)力實(shí)際〞這一著名論文，建立了描畫(huà)電磁場(chǎng)變化規(guī)律的麥克斯韋方程組及相關(guān)的實(shí)際。1887年赫茲〔H.Hertz〕運(yùn)用電磁振蕩的方法證明了電磁波的客觀(guān)存在，并證明了電磁波和光波具有共同特性。電磁場(chǎng)實(shí)際以為，光實(shí)踐上是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，電磁波的傳播實(shí)踐上就是將變化的電磁場(chǎng)進(jìn)展的傳播。假設(shè)在空間某區(qū)域有變化電場(chǎng)E(或變化磁場(chǎng)H)，那么將在臨近區(qū)域引起磁場(chǎng)H的變化(或電場(chǎng)E的變化〕，這種變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激發(fā)、相互感生，由近及遠(yuǎn)以有限的速度在空間傳播，構(gòu)成電磁波。與此相關(guān)的電磁場(chǎng)的根本性質(zhì)如下：(1)在電磁場(chǎng)中，電場(chǎng)矢量E、磁場(chǎng)矢量H和傳播方向k三者相互垂直。E,H和k三個(gè)矢量的方向成右手螺旋關(guān)系；

(2)電磁波是橫波，沿給定方向傳播的電磁波，E與H的振動(dòng)方向都是在各自垂直于傳播方向k的平面內(nèi)，這一特性稱(chēng)為偏振性；

(3)空間各點(diǎn)E和H都作周期性變化，并且它們的相位一樣；(4)電磁波在真空中的傳播速度為

c=(2.1)式中：ε0為真空中的介電常數(shù)；μ0為真空中的磁導(dǎo)率。在國(guó)際單位制中，指定μ0=4π×10-7H/m，由精細(xì)測(cè)定ε0=8.854×10-12F/m，推算得c≈3.0×108m/s。電磁波的波譜范圍很廣，包括無(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、Ｘ射線(xiàn)和Y射線(xiàn)等。這些電磁波從動(dòng)搖特性的角度，本質(zhì)上完全一樣，只是波長(zhǎng)不同而已。真空中電磁波的波長(zhǎng)λ與頻率υ的關(guān)系為λ=c/υ〔2.2〕真空中電磁波的傳播速度c≈3.0×108m/s為常量，所以頻率不同的電磁波在真空中具有不同的波長(zhǎng)。頻率愈高，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就越短。按照電磁波頻率或波長(zhǎng)的順序可以陳列起一電磁波譜圖，如圖2.1所示。圖2.1電磁涉及可見(jiàn)光波長(zhǎng)分布表2.1列出了電磁波段的詳細(xì)劃分及用途,這里涵蓋了目前曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)并得到廣泛利用的不同波長(zhǎng)的各類(lèi)電磁波，這里有波長(zhǎng)達(dá)104m以上的，也有波長(zhǎng)短到10-5nm以下的。下面對(duì)各種不同性質(zhì)的電磁波分別作簡(jiǎn)單的引見(jiàn)。

電磁波譜主要形成手段波長(zhǎng)范圍頻率范圍/MHz目前的主要應(yīng)用無(wú)線(xiàn)電波長(zhǎng)波電子線(xiàn)路3~30km0.01~0.1越洋長(zhǎng)距離通訊、導(dǎo)航中波200m~3km0.1~1.5AM廣播、電報(bào)通訊短波10~200m1.5~30AM廣播、電報(bào)通訊超短波1~10m30~300FM廣播、電視、導(dǎo)航微波行波管、調(diào)速管、磁控管1mm~1m300~3×105電視、雷達(dá)、導(dǎo)航光波紅外線(xiàn)熱體激光0.76um~1mm3×105~4×108雷達(dá)、導(dǎo)航、光線(xiàn)通信可見(jiàn)光電弧燈0.40~0.76um(4~7.5)×108紫外線(xiàn)汞燈0.03~0.40um7.5×(108~1010)醫(yī)用、照相制版X射線(xiàn)X射線(xiàn)管0.1nm~0.03um1010~3×1012醫(yī)用、探傷、物相分析Γ射線(xiàn)加熱器1.0pm~0.1nm3×(1012~1014)探傷、物相結(jié)構(gòu)分析波長(zhǎng)超越lmm的電磁波我們統(tǒng)稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)電波，其頻率不超越300MHz。除了自然界本身具有的以外，我們通常研討和運(yùn)用的無(wú)線(xiàn)電波主要是由包括各類(lèi)晶體管等元器件制造的特定的電子線(xiàn)路產(chǎn)生，因此頻率的純度可以是很高。經(jīng)過(guò)對(duì)電子線(xiàn)路進(jìn)展調(diào)制，可用來(lái)承載和傳送各種信息。百多年來(lái)無(wú)線(xiàn)電波已被廣泛地運(yùn)用于無(wú)線(xiàn)電廣播、電視、挪動(dòng)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)播、雷達(dá)和電磁爐等眾多領(lǐng)域，曾經(jīng)成為日常生活中不可或缺的東西。

無(wú)線(xiàn)電波我們無(wú)法用肉眼直接看見(jiàn)，而我們所討論的可見(jiàn)光卻是我們睜開(kāi)眼睛就能見(jiàn)到的?？梢?jiàn)光其實(shí)也是電磁波，但只占整個(gè)電磁波譜中很小的一部分，只需波長(zhǎng)范圍在400~760nm之間的電磁波能使人眼產(chǎn)生光的覺(jué)得。有意思的是不同波長(zhǎng)的電磁波對(duì)人眼中所呈現(xiàn)的效果是各不一樣，隨著波長(zhǎng)的縮短，呈現(xiàn)的感官效果，也可稱(chēng)為“顏色〞依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。我們?nèi)粘８性獾降陌坠饽敲词歉鞣N顏色的可見(jiàn)光的混合，也即是400~760nm之間的電磁波的混合。紅外線(xiàn)波比紅光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，普通看不見(jiàn)，波長(zhǎng)在0.76um~1mm之間。可被細(xì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外幾個(gè)部分。我們能以溫度的方式覺(jué)得到部分紅外線(xiàn)的存在。自然界中凡是溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)射出各自特定的紅外線(xiàn)，這個(gè)特性對(duì)于察看和測(cè)定肉眼看不見(jiàn)的對(duì)象具有特殊的意義。利用目的和背景溫度及物體發(fā)射紅外線(xiàn)才干的差別可做成各種的紅外線(xiàn)傳感儀器，對(duì)目的進(jìn)展探測(cè)、跟蹤、搜索及成像，并能直接反映物體的溫度分布、空間方位及運(yùn)動(dòng)形狀等假設(shè)干特征參量。目前紅外技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于軍事、科學(xué)研討、工農(nóng)業(yè)消費(fèi)、醫(yī)學(xué)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。紫外線(xiàn)波比我們所見(jiàn)的紫色光的波長(zhǎng)短，同樣我們的眼睛也看不見(jiàn)，其波長(zhǎng)范圍在30~400nm之間。它也可以進(jìn)一步按照波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短細(xì)分為近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)紫外三部分。熾熱物體的溫度很高時(shí)，除了輻射紅外線(xiàn)外還會(huì)輻射紫外線(xiàn)。太陽(yáng)光中有大量紫外線(xiàn)，人工制造的汞燈中也能發(fā)射出大量紫外線(xiàn)。紫外線(xiàn)有顯著的化學(xué)效應(yīng)和熒光效應(yīng)，可用于醫(yī)療殺菌和照相制版等行業(yè)。比紫外線(xiàn)的波長(zhǎng)更短的電磁波被稱(chēng)為X射線(xiàn)，其波長(zhǎng)范圍在0.1~30nm之間。除了自然界本身具有的以外，可以用高速電子流轟擊原子中的內(nèi)層電子而產(chǎn)生X射線(xiàn)，從X射線(xiàn)管發(fā)射出來(lái)。X射線(xiàn)由于波長(zhǎng)短，具有很強(qiáng)的穿透才干，它透過(guò)各種物體的身手與組成物質(zhì)的原子量有關(guān)。另外X射線(xiàn)還具有使膠片感光，使熒光屏發(fā)光的特殊才干。利用X射線(xiàn)的這些性質(zhì)可透視人體內(nèi)部的病變，可檢查金屬部件的內(nèi)傷和分析物質(zhì)的晶體構(gòu)造，并留下可供查閱的照片。

波長(zhǎng)在1.0pm~0.1nm之間的電磁波被稱(chēng)為γ射線(xiàn)。γ射線(xiàn)是放射性原子衰變或用高能粒子與原子核碰撞時(shí)所發(fā)出的一種波長(zhǎng)極短的電磁波。γ射線(xiàn)作為一種更具穿透力的放射線(xiàn)，常用于更高要求的金屬探傷和對(duì)原子核構(gòu)造的探測(cè)及研討。2.3光傳播的的一些根本景象可見(jiàn)光是一種波長(zhǎng)很短的電磁波，靠著電磁場(chǎng)在空間中傳播，電磁場(chǎng)的傳播具有動(dòng)搖性。運(yùn)用光的電磁實(shí)際，能解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和雙折射等與光的傳播特性有關(guān)的景象。2.3.1反射、全反射、折射當(dāng)光波照射在鏡面上會(huì)發(fā)生反射，光在鏡面上的反射接近于全反射。光波射在非鏡面的介質(zhì)界面上也會(huì)發(fā)生反射，但能夠不是全反射，同時(shí)還會(huì)發(fā)生透射和折射等景象。這些物理景象均服從界面波前匹配、相位相等的原那么，并可推導(dǎo)出反射定律與折射定律。光波射到鏡面或介質(zhì)界面上時(shí)，會(huì)有光波發(fā)生折回原介質(zhì)中的方向轉(zhuǎn)機(jī)過(guò)程，稱(chēng)為光的反射，如圖2.2(a〕所示，滿(mǎn)足反射定律：1)反射光位于入射光與界面法線(xiàn)所決議的平面內(nèi)；2)反射角θ1等于入射角θ/1，即θ1=θ/1〔2-3〕光波射在介質(zhì)界面上時(shí)，一部分光波會(huì)被界面反射〔服從反射定律〕，另一部分光波那么會(huì)進(jìn)入界面。假設(shè)進(jìn)入界面后這部分光在前進(jìn)的方向上發(fā)生改動(dòng)，構(gòu)成折射景象，如圖2.2(b)所示，折射光線(xiàn)滿(mǎn)足如下定律：1)折射光線(xiàn)位于界面法線(xiàn)與入射光線(xiàn)所決議的平面內(nèi)；2〕折射角滿(mǎn)足n1sinθ1=n2sinθ2(2.4)當(dāng)n1>n2時(shí)，入射光的能量逐漸增大θ1角會(huì)反射，當(dāng)θ1添加到θc時(shí)，如圖2.2〔c〕所示，θ2=90o，其中θc滿(mǎn)足sinθc=n2/n1(2.5)當(dāng)θ1＞θc時(shí)，入射光的能量全部被誡界面反射回光密介質(zhì)，這種景象稱(chēng)為全反射，如圖2.2(d)所示。圖2.2光的反射、全反射、折射景象2.3.2偏振在空間傳播的電磁波，其電場(chǎng)矢量在某一特殊的平面內(nèi)振動(dòng)，就稱(chēng)這種電磁波為平面偏振波或線(xiàn)偏振波。許多實(shí)踐的光束都是由許多個(gè)別的光波合成的，合成光波方向不斷變化，大多數(shù)情況下這些個(gè)別光波的電場(chǎng)矢量取向都是恣意的，因此光束是非偏振的。實(shí)踐中的自然光，其光源包含各個(gè)方向上平均振幅相等的電場(chǎng)矢量。在自然光中的部分偏振光可以看成是偏振光和非偏振光的混合，用偏振度來(lái)描畫(huà)。由自然光得到偏振光的過(guò)程稱(chēng)為起偏，所用器件為起偏器，常見(jiàn)起偏方式有以下幾種：〔1〕基于晶體雙折射原理的起偏，這是最有效的一種起偏方式，我們將在以后關(guān)于晶體光學(xué)與光調(diào)制的章節(jié)中加以詳細(xì)討論。(2)布儒斯特〔Brewster〕角起偏，這是利用光在界面上的反射與吸收過(guò)程使自然光起偏，以獲得偏振光的一種方式。如圖2.3所示，當(dāng)自然光入射到折射率分別為nl，n2的兩種介質(zhì)界面上時(shí)，假設(shè)將入射光分為平行和垂直入射面的兩部分振動(dòng)，其反射光和折射光都變成了部分偏振光。介質(zhì)外表對(duì)垂直和平行入射面的電場(chǎng)分量的反射率均是入射角θ1的函數(shù)，相互關(guān)系如圖2.3(c)所示。尤其是在某一特定角θ1=θB時(shí)，平行分量的反射率為0，反射部分只剩下垂直分量，成為線(xiàn)偏光，這一角度θB稱(chēng)為布儒斯特角。根據(jù)斯涅耳〔Snell〕定理此時(shí)，反射光與折射光相互垂直，于是可得sinθB=n2/n1(2.6)這成為布儒斯特定律。圖2.3反射與吸收起偏2.3.3干涉和衍射

當(dāng)兩束光彼此的頻率一樣、振動(dòng)方向一樣、相位一樣或相位差恒定，就構(gòu)成了干涉。兩束光干涉所得光強(qiáng)為I=E20l+E202+2E01E02cos(φ2-φ1)=I1+I2+2cos(φ2-φ1)〔2.7〕式中I為光強(qiáng)度；E為光波的振幅；φ為入射光的角度；本公式的后一項(xiàng)稱(chēng)為干涉項(xiàng)，它決議了I可以大于I1＋12，也可以小于I1＋12，詳細(xì)值由相位差△φ＝?jīng)Q議：

當(dāng)兩束光彼此的頻率一樣、振動(dòng)方向一樣、相位一樣或相位差恒定，疊加在一同就構(gòu)成了干涉，結(jié)果能使光的強(qiáng)度得到加強(qiáng)，這稱(chēng)為光的相關(guān)相長(zhǎng)景象；也能使光的強(qiáng)度被減去，這稱(chēng)為光的相關(guān)相消景象。兩束光干涉相長(zhǎng)的條件是△φ=2πδ/λ=2πm〔m=0,±1,±2,…〕(2.8a)或δ=mλ〔m=0,±1,±2,…〕(2.8b)式中，δ為光程差。兩束光干涉相消的條件是△φ=(2m+1)π〔m=0,±1,±2,…〕(2.9a)或δ=λ(2m+1)/2〔m=0,±1,±2,…〕(2.9b)

光線(xiàn)不僅會(huì)直射，也會(huì)繞射。把不透明的物體放在光源和察看屏之間，就會(huì)發(fā)現(xiàn)投射在屏幕上的影子并不非常明晰，這種使光繞過(guò)妨礙物，進(jìn)入幾何陰影區(qū)的景象稱(chēng)為光的衍射。衍射景象與光的干涉有關(guān)，衍射的本質(zhì)可用惠更斯一菲涅耳原了解釋?zhuān)汗獠ㄔ诮橘|(zhì)中傳播的各點(diǎn)均可視為產(chǎn)生子波的新波源，同一波面前上的各點(diǎn)發(fā)出的子波傳播到空間某一點(diǎn)時(shí)，各子波間也可以相互疊加而產(chǎn)生干涉景象，由于波面前邊緣各點(diǎn)發(fā)出的子波分開(kāi)軸心，所以邊緣部分的波發(fā)生某些彎曲，后續(xù)的波前越來(lái)越彎曲，因此發(fā)生了衍射景象。2.4光也是一種粒子—光子人們?cè)诮忉尯隗w輻射、光電效應(yīng)等涉及到光和其它方式的物質(zhì)相互作用的景象時(shí)，逐漸認(rèn)識(shí)到光也可以是一種粒子，光不僅具有動(dòng)搖的特性，同時(shí)也具有粒子的特性。根據(jù)這樣的認(rèn)識(shí)導(dǎo)致出現(xiàn)了光子學(xué)說(shuō)。光子學(xué)說(shuō)實(shí)際以為，光是由一群以光速c運(yùn)動(dòng)的光量子〔簡(jiǎn)稱(chēng)光子〕所組成。關(guān)于光子的根本性質(zhì)可以歸納為以下幾個(gè)方面：〔1〕光子具有能量E，其能量與一定的光頻率υ相對(duì)應(yīng)，如式〔2.10〕所示。E=hυ〔2.10〕式中：h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s?！?〕光子具有質(zhì)量。從固體物理觀(guān)念，質(zhì)量可分為靜態(tài)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)質(zhì)量?jī)深?lèi)。光子靜態(tài)質(zhì)量為零，光子動(dòng)態(tài)質(zhì)量m與光子能量E〔或光的波長(zhǎng)λ〕的關(guān)系為m=E/c2=hυ/c2=h/cλ〔2.11〕(3)光子具有動(dòng)量p，其動(dòng)量與光波長(zhǎng)λ有關(guān)，或者與傳播方向k有關(guān)，可表示為p=n0h/λ=?k〔2.12〕式中：n0為光子行進(jìn)方向上的單位矢量；?=h/2π；k=n0(2π/λ)。(4)光子具有自旋的特性，其自旋的量子數(shù)為整數(shù)，所以光子的集合服從玻色一愛(ài)因斯坦〔Bose-Einstein〕統(tǒng)計(jì)規(guī)律。波長(zhǎng)為λ的光是質(zhì)量為m=h/cλ,能量為E=hυ,動(dòng)量為p=(h／λ)no的光子的集合體，光的傳播實(shí)踐上是光子的輻射流。光子學(xué)說(shuō)實(shí)際可以解釋光的發(fā)射、光的吸收、光電效應(yīng)等與光和物質(zhì)相互作用有關(guān)的諸多景象。按照量子實(shí)際，光子是組成光輻射場(chǎng)的根本物質(zhì)單元。組成光輻射場(chǎng)的宏大數(shù)量的光子分別處于各自不同的光子統(tǒng)計(jì)形狀。光子的運(yùn)動(dòng)形狀簡(jiǎn)稱(chēng)為光子態(tài)，光子態(tài)是按光子所具有的不同能量〔或動(dòng)量數(shù)值〕、光子行進(jìn)的方向以及偏振方向分別進(jìn)展區(qū)分。處于同一光子態(tài)的光子彼此之間是不可區(qū)分的。由于光子是玻色子〔其自旋量子數(shù)為整數(shù)1〕，在其光子集合中，光子數(shù)按其運(yùn)動(dòng)形狀的分布不受泡里不相容原理的限制，可以有多個(gè)光子處于同一種光子態(tài)上，這種景象稱(chēng)為簡(jiǎn)并。

對(duì)于光頻率波段，在常溫〔例如T=25℃〕下，普通熱光源的光子簡(jiǎn)并度極低。采用特別的方法，也有能夠在光頻段獲得極高的簡(jiǎn)并度，構(gòu)成一種新的光源，這就是我們將在以后的章節(jié)要引見(jiàn)的光的受激輻射景象。這種高簡(jiǎn)并度的新光源發(fā)出的光，單色亮度高，大量光子處于一樣的光子態(tài)，有確定的運(yùn)動(dòng)方向、頻率和偏振，稱(chēng)之為相關(guān)光。相關(guān)光比起通常情況下存在的非相關(guān)光有諸多優(yōu)越性。該當(dāng)指出，單獨(dú)用經(jīng)典的波或粒子概念之一去描畫(huà)光，都缺乏以完美地解釋光的全部景象，必需同時(shí)思索到光所具有的“波粒二重性〞，即需求顧及到光不僅具有動(dòng)搖性，而且還具有粒子性的雙重特性。式(2.10)和式(2.12)把光的雙重性質(zhì)—?jiǎng)訐u性和粒子性聯(lián)絡(luò)起來(lái)，頻率υ和波長(zhǎng)λ是描畫(huà)動(dòng)搖性的，而能量E和動(dòng)量p那么是描畫(huà)粒子性的。動(dòng)搖性和粒子性是光的客觀(guān)屬性，兩者總是同時(shí)存在的。只不過(guò)在一定條件下，動(dòng)搖的屬性表現(xiàn)明顯，而當(dāng)條件改動(dòng)時(shí)，粒子的屬性又變得明顯。例如，當(dāng)光在傳播過(guò)程中，其動(dòng)搖性明顯，這時(shí)往往把光看成由一列一列的光波組成，其表現(xiàn)出的干涉、衍射和偏振等景象可用動(dòng)搖觀(guān)念來(lái)解釋。而當(dāng)光和物質(zhì)相互作用時(shí)，這時(shí)往往又把光看成是由一個(gè)一個(gè)光子組成的粒子流，光的粒子性表現(xiàn)明顯。有關(guān)光的黑體輻射、吸收光譜和光電效應(yīng)等景象有時(shí)更適宜用粒子觀(guān)念來(lái)解釋。根據(jù)上面所說(shuō)的，我們?cè)?jīng)可以認(rèn)識(shí)到如今所說(shuō)光于光的粒子和動(dòng)搖，已不再是牛頓微粒說(shuō)中的粒子，也不再是惠更斯所了解的動(dòng)搖。全面的了解應(yīng)該是粒子中浸透著動(dòng)搖性，動(dòng)搖中浸透著粒子性，它們所包含的意義比原來(lái)的粒子和動(dòng)搖深化得多。2.5光電子的傳播電子學(xué)的研討對(duì)象是電子以及它以高頻振蕩的電波。而光電子學(xué)的研討對(duì)象那么是光子〔或是與之相關(guān)的載流子〕。光子既具有光的粒子性，又具有與電波一樣的電磁波的動(dòng)搖性質(zhì)。但是兩者在本質(zhì)上還是完全不一樣。1)雖然同樣是電磁波，但其頻率〔波長(zhǎng)〕相差很大。2)光電子作為一種電磁波，其頻率高，粒子性比動(dòng)搖性更加明顯。3〕電波和電子的波導(dǎo)普通是由金屬導(dǎo)體傳輸，而光波和光子的波導(dǎo)由電介質(zhì)，也就是由非金屬導(dǎo)體傳輸。雖然光與電波、X射線(xiàn)一樣，都是電磁波，但是不斷到激光出現(xiàn)以前所謂光都只是自然光，與現(xiàn)存的人為構(gòu)成并且相位一致的電波相比，它們是雜亂無(wú)章的、相位不整齊的，我們可以把它稱(chēng)為“噪聲光〞。典型的噪聲光如象打雷時(shí)出現(xiàn)的閃電和帶有各種頻率成分的火花放電。自然光中的白光具有的頻譜成分，好像火花放電那樣，其延續(xù)性是由無(wú)數(shù)伴有衰減振動(dòng)的脈沖光集合而成。最能明確地可以表示光與電波的不同之點(diǎn)，大約就是頻率或波長(zhǎng)的差別了。用υ表示波的傳播速度，一切動(dòng)搖〔不僅是電波和光之類(lèi)的電磁波，而且包括聲波〕的波長(zhǎng)λ與頻率f〔也稱(chēng)為振動(dòng)次數(shù)〕之間，都有關(guān)系式υ=λf〔2.13〕當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的傳播方向與其質(zhì)點(diǎn)作垂直振動(dòng)的方向構(gòu)成直角時(shí)，構(gòu)成的是一種橫波。光波和電波之類(lèi)的電磁波，以高頻率振動(dòng)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)組合成橫波可以在自在空間傳播，如圖2.4所示。圖2.4光是由電場(chǎng)與磁場(chǎng)組合成的電磁波圖2.5光和電波等電磁波在空間的傳播方式光在某一時(shí)辰的形狀，可用電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量和傳播矢量來(lái)描畫(huà)。圖2.4就表示了光的一種形狀。我們知了電磁波在真空中傳播的速度稱(chēng)為光速，以c表示。光在不同的介質(zhì)中進(jìn)展傳播。以光速表示在折射率為n的介質(zhì)中傳播的電磁波速度υ為υ=c/n(2.14)通常，介質(zhì)的折射率是頻率f