光电子学论文篇(1)

关键词：波粒二象性 理解 认识 量子力学

在近代物理学中，波粒二象性是一个具有极高知名度的词汇。但许多人对其的了解仅限于表面，对其本质概念、意义、诞生、发展的了解程度都不高，本文将于此对这些进行一定程度的介绍说明。

一、波粒二象性的概念

波粒二象性是一种量子力学概念，用于描述一种特殊的物质特征，即物质同时具有波动性和粒子性。最初，这种概念只被用来诠释光的特性，但随着相关研究的不断发展，人们认为所有的微观粒子都具备波粒二象性，该概念的应用和研究领域都得到了极大的拓展。

根据量子力学理论，微观粒子均具有波粒二象性，但在通常情况下往往体现为单一性质。因为当微观粒子体现出波动性时，粒子性会变得不显著，相对的，当微观粒子体现出粒子性时，波动性会变得不显著，两种性质何者体现出来取决于不同的条件。因此，从本质上来看，波粒二象性这种概念也可以看作是在描述微观粒子的这种特殊行为。

如前文所述，波粒二象性最初是爱因斯坦为诠释光的性质问题所提出的，属于光量子学说的一部分。根据该理论，光的构成基础是光子，这是一种光能量子，拥有动能与动量，因此光虽然在宏观上会体现出明显的波动性，但在微观上则是粒子性更为显著，即光具有波粒二象性。这种说法完美地解释了光电效应，因为光电效应中的电子是被光子撞击出去的，而光子带有能量，能量值为光频率与普朗克常数之积（光电效应方程），光子想要击出电子，携带的能量必须达到一定值。根据量子化效应，电子在接受光子能量时只能整份接受，所以光子能否把电子击出取决于每个光子的单份能量，而不是总能量。虽然光强越高，光子数量也就越多，但光强对单份光子的能量并无影响。因此，最终决定光子能否击飞电子的是决定单份光子能量的光子频率，而光子频率同时决定了光的颜色。因为蓝光比红光的频率要高，所以蓝光的单份光子能量更高，这能量会在与电子撞击时整份转移给电子，将电子击飞，由此就引发了光电效应。红光的频率比蓝光低，单份光子能量也低，虽然光强高、光子数量多，但光子均不足以击飞电子，所以无法产生光电效应。

二、波粒二象性的研究发展

1.波粒二象性提出前的相关研究

光是自然界中非常特殊的一种物质，在传统物理的研究中，人们尝试通过光所引发的现象来解析光的本质，但却遭遇了很大的困难与分歧。光既能引发一些只有波才能引发的现象比如折射、反射、散射等，也能引发部分只有粒子才能引发的现象，比如偏振现象、光电效应等。直到爱因斯坦在1905年提出光具有波粒二象性之前，两派物理学家已经为此争论了数百年。在这两派观点中，波动说的理论体系比较完善，能解释绝大多数宏观现象，而且随着横波理论与合成波理论的提出，原本波动性无法解释的偏振现象也得到了解释，因此波动说在历史上相当长的一段时期里都是解释光的性质的主流学说。但该派理论始终无法找到光波载体这种波的最基本要素，所以一直不够完善，光电效应发现后，波动说的根基更是直接被动摇。粒子说的理论体系则相对缺乏完善性，对光的多种宏观波动性现象都缺乏有力的解释，但在波动性理论无法解释的多种现象上，粒子说都可以做出相当完美的诠释。在这种互有优劣的情况下，两派理论被长期争论可以说是理所当然的。

2.波粒二象性的提出

1887年，光电效应被德国物理学家赫兹发现，这种特殊的光效应令波动说与粒子说都陷入了一种尴尬的境地。首先，虽然光的波动说在当时已经成为主流，但波动说完全无法解释光电效应现象。另一方面，一直以来都能解释波动说无法解释的光学现象的粒子说也只能对光电效应做出部分解释，虽然根据粒子说理论，可以认为光电效应中的电子是被光的粒子撞击出去的，但为什么蓝光可以引发光电效应而红光不能，这点连粒子说也无法解释。可以说，光电效应令两派学说同时面临瓶颈。

在这种情况下，普朗克的能量子理论给了爱因斯坦极大的启发，他以此为基础提出了光量子的概念，认为光能量并非连续分布，而是分作无数份彼此集中的，这样一来光就会同时具备波动性和粒子性，即光具有波粒二象性。该理论几乎完美地解释了包括光电效应在内的所有宏观与微观光学现象，引起了物理学界的极大震动，爱因斯坦也凭该理论获得了1921年的诺贝尔奖。

需要注意的是，爱因斯坦虽然提出了光的波粒二象性，但在该理论中，无论是波动性还是粒子性都与经典物理学中的概念有一定的差异。换言之，光作为波的性质不属于经典波，作为粒子的性质也不属于经典粒子。因此，爱因斯坦所提出的波粒二象性更近似于一种概念上的统一，这也是其在量子力学中的应用基础。

3.波粒二象性的研究拓展

光的波粒二象性提出后，作为其基础之一的光电效应方程在1916年得到了实证，此后该概念开始在物理学界得到了广泛的认可，针对其进行的深化和拓展研究也越来越多。在诸多研究成果中，以德布罗意的研究成果最为显赫，他针对波粒二象性理论进行逆向思考，对传统的实物微观粒子进行了重诠释，提出实物微观粒子与光一样具有波粒二象性，这将波粒二象性从光学的理论概念拓展到整个量子力学领域的理论概念，极大地促进了量子力学的发展。

结语：

总体来说，波粒二象性理论为物理学界的发展做出了极大贡献，不仅解释了光的本质，而且奠定了量子力学的基础。但近年来，随着相对论量子力学的进一步发展，该理论也受到了一定的质疑，这会是未来的物理学界极为关注的一个问题。

参考文献：

[1] 黄志洵. 波粒二象性理论的成就与存留问题[J]. 北京广播学院学报（自然科学版），2000（04）

[2] 孔令文. 论述光的波粒二象性[J]. 邯郸师专学报， 2000（03）

光电子学论文篇(2)

电子科学与技术（以下简称“电科”）专业是以培养具备微电子、光电子、集成电路等领域宽厚理论基础、实验能力和专业知识，能在电子科学与技术及相关领域从事各种电子材料、元器件、集成电路、电子系统、光电子系统的设计、制造、科技开发，以及科学研究、教学和生产管理工作的复合型专业人才为目标的工程专业。作为电科专业教育中重要内容的光电子技术，不仅是当代信息技术两大支柱之一，而且随着现代科学技术的发展持续焕发着生命活力。而让光电子技术保持如此强劲发展势头的主要原因之一，正是光电子材料与器件的广泛应用，例如激光器与新型光电探测器的应用的人你还。另外，诸如纳米光电材料与器件、光子晶体及相关器件、超材料及相关器件与表面等离子体激元及器件等新型光电子材料与器件的研究与应用，是目前国际上光学与光电子学研究领域的前沿热门方向。由此可见，学习光电子材料与器件的相关知识，不仅对电科学生知识体系的构建与就业方向的确定具有积极的影响，也为那些将来希望从事新型光电子材料与器件科研工作的学生，提供了坚实的理论基础与知识储备。然而，根据笔者的调研，虽然国内许多重点大学的电科专业都开设了光电子技术课程，但很少有大学专门开设光电子材料与器件这门课程。而由于光电子技术的内容多、涉及知识面广，教学课时又往往有限（一般为32或48个学时），因此在光电子技术的实际教学过程中，讲授教师往往重视光电子技术基本概念与理论知识的教学，而轻视光电子材料与器件的教学。该文从光电子材料与器件的研究内容、应用及发展等方面说明其在电科专业教育中的重要性，并结合自身光电子材料与器件课程的教学经验，研讨电科专业中光电子材料与器件的教学方法。

1 光电子材料与器件简介

光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来，光电子材料与器件如雨后春笋般发展迅速。在短短的50多年里，光电子材料与器件经历了从红宝石激光器的发明，到半导体激光器、CCD器件及低损耗光纤的相继问世；从各种光无源器件、光调制器件、探测与显示器件的小规模应用到系统级集成制造实用化阶段；从大功率量子阱阵列激光器的出现再到光纤激光器、光纤放大器和光纤传感器的诞生。光电子材料与器件从未停止过发展的脚步，并正在不断深刻影响着人类社会的方方面面。在实际需求的引导下，各种新型光电子材料与器件层出不穷，性能也不断提高。尤其是近年来，随着微米及纳米级加工技术的成熟，新型的微纳光电子材料与器件的研究异常活跃。纳米光电材料、光子晶体、超材料、表面等离子体器件等领域的研究成果丰硕，为未来光电子器件的微型化、集成化发展奠定了坚实的基础。

综上所述，光电子材料与器件在当代信息产业与科学技术中具有极其重要的地位，因此，光电子材料与器件这门课程不仅应当单独作为一门课程独立教学，而且应该作为重视工程教育的电科专业的核心课程。

2 光电子材料与器件课程教学研究

2.1 光电子材料与器件课程的教学形式、课时安排与教材选择

光电子材料与器件课程不仅包含丰富的理论知识，例如光电子材料的物理特性以及光电子器件的工作原理等，而且与实际应用结合精密，因此，本课程宜采取理论教学与实验教学相结合的教学形式。

在课时安排方面，作为电科专业的一门核心专业课程，光电子材料与器件课程的总课时应不低于32学时（2学分），理论课学时不低于26学时，实验课不低于6学时。

另外，在教材选择方面，由于光电子材料与器件是光电子技术中的一部分内容，而目前国内关于光电子技术方向的参考书籍很多，其中亦不乏一些光电子技术课程的经典教材，例如西安电子科技大学安毓英主编的《光电子技术》[1]，西安交通大学朱京平主编的《光电子技术基础》[2]等。虽然这些光电子技术参考书中或多或少都会介绍与光电子技术相关的材料与器件，但是，目前专门介绍光电子材料与器件方向的教科书却是少之又少，市面上仅有国防工业出版社2012年出版的侯宏录主编的《光电子材料与器件》[3]一书。加之，该书中所涉及的理论知识较深，基础浅薄的本科生很难驾驭。由此可见，对于光电子材料与器件这门新兴课程而言，设立统一的教材并不合适。因此，笔者建议该课程的讲授教师根据理论教学与实验教学的内容，自行编写该课程的讲义与课件。

2.2 光电子材料与器件课程的理论教学

按照电科专业的专业定位以及培养目标，光电子材料与器件课程的理论教学也应该突出“工程”内容。传统的光电子技术教学中所重视的原理、定律与规律等内容，在光电子材料与器件教学中要弱化；而传统光电子技术教学中往往被弱化乃至忽视的光电子材料与光电子器件的相关知识，要在光电子材料与器件课程教学中占主体地位。如此才能保证在有限理论课时的前提下，让学生对光电子材料与器件有一个全面的认识。

在教学内容的设置方面，由于光电子材料与器件主要应用于光电子技术之中，因此，为了便于学生的理解与知识体系的构建，笔者建议光电子材料与器件课程理论教学的章节设置按照光电子技术的章节设置进行。以笔者讲授光电子材料与器件理论课程（共26学时）为例，该理论课程共被分成了绪论（2学时）、激光原理与典型激光器（5学时）、太阳能电池（4学时）、光通信器件与材料（5学时）、光探测器件（5学时）、光电显示器件（3学时）与光存储器件（2学时）等七个章节，这七章内容基本囊括了光电子技术中光产生、光转化、光传输、光探测、光显示以及光存储等各个重要环节中最为典型的器件以及所用到的材料。另外，在每章内容的设置上，也尽可能突出“工程”内容，弱化“理论”知识。下面，笔者将详细介绍笔者在光电子材料与器件教学中各章的教学内容。

第一章绪论主要包括光电子材料与器件课程简介以及光电子技术的基本知识简介。在光电子材料与器件课程简介中，向学生介绍课程设置的目的和意义、课程的主要内容、教学与考试方式与参考资料等。通过这部分内容的介绍，让学生对本课程的意义、内容、侧重点有一定的认识。在光电子技术基础知识简介中，重点向学生介绍光电子材料与器件与光电子技术的关系，并通过对光电子技术的概念、特征、发展等方面的介绍，让学生对光电子技术以及光电子材料与器件有一个整体的认识。

第二章激光原理与激光器重点介绍几种典型激光器的材料、结构与工作特性，其主要内容包括三个部分：激光原理简述、典型激光器与激光器的应用。在激光原理简述部分，由于多数电科专业在学习光电子材料与器件课程之前已经修过激光原理等类似课程，所以该部分内容为简略介绍的内容，主要帮助学生回顾激光的特征、历史与光辐射理论等知识点。而第二部分内容典型激光器是本章内容的重中之重，在该部分内容中，将依次向学生介绍固体、气体、液体与半导体这四大类激光器中的典型激光器的结构、特征与工作特性等知识。由于发光二极管与半导体激光器结构与工作原理上的相似，在介绍完半导体激光器后，可以顺理成章地介绍发光二极管的结构与特征。另外，本章最后还简单介绍了激光器的几种常见应用。

太阳能电池虽然是光电探测器中光伏效应的一种特殊应用，但是由于它在现如今光电子技术产业以及光电子器件中的重要地位以及良好的发展趋势，该部分内容被独立成一章。在第三章太阳能电池中，主要分两小节给学生介绍，第一小节介绍当今能源与环境问题以及太阳能的开发和利用，让学生了解当今能源资源的现状以及新能源研究与应用的迫切需求，然后介绍太阳能利用的历史以及发展趋势；第二小节正式介绍太阳能电池的工作原理、结构以及特性等知识。

第四章光通信器件与材料主要介绍的是光通信系统中所用到的有源与无源光器件。本章内容共分为两小节：第一小节介绍光纤通信的基础知识，包括光纤通信的定义，光纤的结构、导光原理、发展历史，以及光纤通信系统的组成与特点。第二小节正式介绍光纤通信系统中所用到的各类光电子器件以及构成这些器件的核心材料。在光纤通信中，最重要的器件当属光纤，所以，本节开始就着重介绍光纤的相关知识，包括它的结构、原理、分类、特征参数与传输特性。然后，又将光纤通信系统中的其它光电子器件分为有源与无源器件两类，并分别介绍了这两类光器件中的代表器件：掺铒光纤放大器与波分复用与解复用器。最后，在本章结尾还介绍了光纤通信系统中其它几种常用光器件，例如光耦合器、光衰减器、光环行器等。

第五章光探测器首先介绍了光电探测器的物理效应、性能参数、噪声；其次，按照光电探测器物理效应的不同一一介绍了几种典型的外光电效应探测器（光电管与光电倍增管）与内光电效应探测器（光电导、光电池与光电二极管）。教学的重心仍然放在对探测器结构、工作原理以及特性等方面。

第六章光显示器件重点介绍四种光显示器：阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器与电致发光显示器。

第七章光存储器件主要介绍了现如今最常用的一种光存储系统―― 光盘系统以及其中最总要的器件光盘。

2.3 光电子材料与器件课程的实验教学

光电子材料与器件实验课程的教学要与理论教学紧密相连，并重点介绍理论课上讲解过的光电子材料与器件，实验课程的学时应不低于6学时，开设的时间最好在理论教学完成之后，以保证学生在实验前已对实验器件与实验原理有一定的了解。在实验项目的设定方面，既要保证与理论课程内容的相辅相成，又要尽量避免与其它课程实验项目的重复，造成资源的浪费。例如，许多大学的电科专业都已经将激光原理一课作为该专业的核心专业课程，并配备了相应的激光器实验。在这种情况下，如果在光电子材料与器件实验教学中再次引入激光器的实验内容，不仅消耗了宝贵的实验时间，实验效果也会大大降低。

下面跟大家简单介绍笔者在光电子材料与器件实验教学（6学时）中的实验安排。

（1）实验内容：共包含六个实验项目，它们分别是：光控开关实验、光照度计实验、红外遥控实验、PSD位移测试实验、太阳能充电实验与光纤位移测量系统实验（每个实验1学时）。各实验中都应用到了一个或几个核心光电子器件，这些光电子器件基本涵盖了学生在理论课程中所学到的最为重要的几类器件，例如光控开关实验应用到了光电探测器中的光敏电阻作为核心元器件；而红外遥控实验中用到了发光二极管光源与红外探测器等光电子器件。

（2）实验要求：以往的光电子技术实验往往重视现象的观察与定性分析，但经笔者调研，这种实验方法很难最大限度激发学生的求知欲与动手能力，因此，在对原有的实验指导书进行改良后，笔者自行编写了实验的指导书，并在每个实验项目中加入了一些测量与定量分析的实验内容。例如太阳能充电实验，原来的实验指导书只是观察太阳能充电的效果，但是，在新改良的实验指导书中，要求同学测量不同光源照射下太阳能电池的输出电压与输出电流，并要求学生分析比较其差别。通过这种方式，充分调动学生的实验积极性，在具体的实验教学中也取得了很好的效果。

（3）实验方式：分组实验，共同撰写实验报告。这样，不仅提高实验效率，还能够锻炼学生的团队协作意识。

（4）考核方式：根据每位学生实验完成的情况与实验报告撰写的情况综合评分。

光电子学论文篇(3)

关键词：光纤通信；理论教学；实验教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）08-0167-03

当代信息高速公路的骨干网络是由光纤通信网络构成的，若没有光纤的发明及相关有源和无源光纤器件的发明和发展，当今的高速信息网络是无法想象的。但是当今信息产业的高速发展得益于微电子学、光电子学、计算机技术及通信工程等多门学科的快速发展及它们之间的交叉融合。因此，要想成为一名信息技术领域的电子信息工程师、计算机工程师或通信工程师，除了需要掌握本专业的课程知识以外，也应该熟悉现代信息技g的其他相关主要知识，比如光纤通信网络及其相关器件等。本文从光纤通信技术的研究内容、应用及发展等方面说明其在电子信息工程专业教育中的重要性，并研讨电子信息工程专业中的光纤通信课程的理论和实验教学方法。

一、光纤通信技术简介

1960年，美国人梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器[1]，给光通信带来了新的希望。和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似，是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后，氦―氖（He-Ne）激光器、二氧化碳（CO2）激光器先后出现，并投入实际应用。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。

1966年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信――光纤通信的基础[2]。在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时（约11.4年），外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑之年。在今后的几十年中，光纤通信网络的逐步商用化带动了相关信息产业链的蓬勃发展[3]。

由于在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多[4]，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。综上所述，可见光纤通信技术在现代信息产业技术中的重要地位，因此，光纤通信技术这门课程不仅是光学工程专业的基础必修课程[5]，也应该作为电子信息工程专业的专业选修课程来开设。

二、光纤通信课程教学研究

（一）光纤通信课程的理论教学

电子信息工程专业的光纤通信课程的理论知识可以分为四个相互关联的层次和内容，它们分别是：第一部分，光纤技术的基础；第二部分，光纤通信器件技术基础；第三部分，光纤通信系统和网络；第四部分，光纤与光纤通信系统测量。这四个部分的关系层层递进，逐渐深入。理论学时总共32学时。

第一部分，光纤技术的基础。可以先讲解光纤通信技术的一些概念性和历史性的知识，比如：电信技术的发展，光通信的必要性及技术基础，光纤通信技术的历史、现状与未来。此处，可详细介绍人类对光通信探索的历史及现代光纤通信技术从学术研究到商业应用的发展里程，并附带介绍微波通信的发展里程，然后通过比较使用光波进行通信和使用微波进行通信的优缺点及使用光纤材料和使用同轴电缆进行通信的优缺点，让学生了解光纤通信的巨大优势。然后可以简单介绍光纤传输的基础理论――电磁场与电磁波理论中的一些基本概念和现象，重点介绍麦克斯韦方程。最后介绍光纤的模式理论、光纤的结构和类型、光纤的传输特性、光纤制造技术与光缆等知识。其中，光纤传输特性包括光纤的损耗特性和色散特性，这是该部分的重点知识。总之，笔者认为，第一部分内容的讲解方法和手段是非常重要的，不宜讲得深奥，而应该结合动画或者视频讲解光纤的传光原理，使学生易于接受，才能提高学生对这门课程的兴趣，从而继续学习往后部分的相对枯燥的知识。该部分学时安排为6H。

第二部分，光纤通信器件技术基础。这部分讲述光纤通信系统中的有源和无源光通信器件，这些器件是构成一个完成的光纤通信系统必不可少的部件，学好这部分内容有利于理解后面学习的光纤通信网络的内容。这部分内容包括：基本光纤器件、光学滤波器、光纤放大器和半导体光电子器件。基本光纤器件包括分波/合波器、光纤活动连接器、光隔离器、环形器和衰减器等；光学滤波器的内容包括Fabry-Perot滤波器、介质膜滤波器、HiBi光纤Sagnac滤波器、Mach-Zender型滤波器、光纤光栅等；光纤放大器的内容包括：掺饵光纤放大器（EDFA）、光纤Raman放大器等。半导体光电子器件的内容包括：普通的半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）、FP型双异质结构激光器、动态单纵模激光器、半导体光放大器（OSA）、PN结光电二极管、PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管等。对于每一个光纤器件，讲解内容包括这些光纤器件的结构、工作原理、具体参数、应用场合等，应结合动画或者视频讲解，甚至如果有条件的话，可以在课题上带上一些体积很小的光纤器件实物给学生讲解，比如光纤活动连接器、LD、LED、光纤光栅、PIN光电二极管价格便宜、体积小的光纤器件。该部分学时安排为10H。

第三部分，光纤通信系统和网络。这部分是本门课程的核心和精华部分，包括光纤传输系统、光纤通信网、全光网技术及其发展三大部分。其中，光纤传输系统的内容包含：光纤传输系统的基本组成、光发送机组件、光接收机组件、光放大噪声及其级联、色散调节技术、光纤传输系统设计、光纤传输系统性能评估。光通信网络的内容包含：通信网的拓扑结构和分类、准同步数字系统（PDH）、同步数字系统（SDH）、异步传输模式（ATM）、互联网协议、光纤通信网的管理/保护/恢复。全光网技术及其发展的内容包含：通信网络的发展过程、全光网络中的传输技术（WDM、OTDM、OCDMA和分组交换技术）、无源光网络（G-PON、E-PON、WDM-PON）、光传送网（G.709OTN）、自动交换光网络、全光网的网络管理、全光网的安全问题。对于每一种光纤网络技术，讲解内容包括这些光纤网络结构、功能、应用场合等，应尽量使用PPT的图片、动画进行讲解，PPT上要尽量避免文字上描述。该部分学时安排为12H。

第四部分，光纤与光纤通信系统测量。该部分主要介绍光纤通信工程实施、检测中一些常用的设备和仪器，在本门课程的实验教学中都要使用到这些设备，是培养光纤通信工程师的基础技能知识部分。该部分的内容包括：光功率计的使用、光纤几何参数的测量、光纤衰减测量、光纤色散测量、光纤偏正特性测量、光纤的机械特性和强度测量、光时域反射计（OTDR）的使用；光接收机灵敏度和动态范围的测量、光纤通信系统误码率和功率代价的测量、眼图及其测量、光谱分析仪、光纤通信系统的在线监测技术。其中，重点讲解光功率计、OTDR、眼图示波器、光谱分析仪等仪器设备的功能和使用方法。该部分学时安排为4H。

（二）光纤通信课程的实验教学

对于电子信息工程本科专业而言，毕竟培养的学生不属于光学工程或光电子技术领域的人才，而且电子信息工程专业本身都有很多属于自己专业的实验课程及课程设计，因此，笔者认为光纤通信技术课程的实验教学应根据该专业学生的理论基础和将来他们最可能需要的工程能力而设置。因而，笔者建议光纤通信课程的总学时设置为48学时，理论教学学时为32学时，7个实验的教学学时为16学r。

根据笔者10年来给电子信息工程专业本科学生讲授这门课的经验，认为具体的实验课程设置如下。

1.插入法测光纤的平均损耗系数。采用插入法测量待测光纤在1310nm和1550nm处的平均损耗系数。掌握插入法测量光纤损耗系数的原理，熟悉光纤多用表的使用方法。学时设置为2个课时。

2.光时域反射计（OTDR）测光纤链路特性。用光时域反射计测量光纤链路的平均损耗、接头损耗、光纤长度和故障点位置。了解光时域反射计工作原理及操作方法，学习用光时域反射计测量光纤平均损耗、接头损耗、光纤长度和故障点位置。学时设置为2个课时。

3.光波分复用（WDM）系统实验及其误码率测量构建1310nm/1550nm光纤波分复用系统并测试其误码率，了解光波分复用传输系统的工作原理和系统组成熟悉误码、误码率的概念及其测量方法。学时设置为2个课时。

4.数字光纤通信系统信号眼图测试。构建数字光纤通信系统并且用数字示波器观测系统的信号眼图，并从眼图中确定数字光纤通信系统的性能。了解眼图产生的基础，根据眼图测量数字通信系统性能的原理；学习通过数字示波器调试、观测眼图；掌握判别眼图质量的指标；熟练使用数字示波器和误码仪。学时设置为3个课时。

5.光纤切割与焊接技术演示实验。利用全自动熔接机向学生演示光纤熔接的全过程，了解光纤的结构和光纤电弧放电焊接原理；了解全自动焊接光纤的过程和使用方法。学时设置为2个课时。

6.光纤光栅光谱特性测试系统的设计实验。测量光环行器的插入损耗、隔离度、方向性、回波损耗参数；利用PC光谱仪、光环行器和光纤光栅设计光纤光栅光谱特性的测试系统；了解光环行器的工作原理和主要功能；了解光环行器性能参数的测试原理；了解光纤光栅的光谱特性；学习PC光谱仪的使用方法。学时设置为3个课时。

7.光带通滤波器的设计。测量光耦合器的插入损耗、分光比和附加损耗等参数；利用光耦合器或者光环行器和光纤光栅设计光带通滤波器。了解2X2光耦合器的工作原理，了解光耦合器各项参数的测试方法。学时设置为2个课时。

通过以上实验课程，能够使电子信息工程本科学生对光纤通信系统的基本器件、基本测量系统等有一个比较感观的认识，而且能够更加深刻地掌握它们工作的基本原理和基本特性，为将来在具体的工程设计及进一步深造中奠定基础。

三、结束语

光纤通信技术在国家的信息产业、国防工业中具有举足轻重的地位，电子信息技术与光学信息技术的结合也越来越紧密。对于当今的电子信息工程专业的学生而言，除了需要掌握本专业牢固的知识和技能以外，了解和掌握光纤通信技术的基础知识和相关的技术发展趋势也是必不可缺的。本文通过对电子信息工程专业特点和光纤通信课程内容的分析，讨论了该门课程与该专业的内在联系，分析其重要性，并根据笔者10年来在重庆理工大学电子信息工程专业讲授该门课程的经验，提出了本门课程在电子信息工程专业中的理论及实验的教学内容、教学重点、教学方法及课程设置等方面的一些意见和建议。

参考文献：

[1]高D.激光技术应用现状与分析[J].物理通报，2007，（11）：50-52.

[2]龙泉.光通信发展的回顾与展望电信网技术[J].2008，（2）：30-32.

[3]曲鹏.光纤通信技术的应用及展望[J].硅谷，2014，7（24）：2-2.

光电子学论文篇(4)

异常的数据

最近，一个匈牙利的研究小组进行了一个实验，目的原本是寻找与暗物质相关的粒子。实验中，他们用一束强烈的质子束去轰击了薄薄的锂-7靶。在这过程中，锂-7会变为普通的铍-8，并同时放出正负电子对。但他们发现，观测到的电子对比理论预期要多。这个反常无法用传统的标准模型理论来解释。

不过，他们认为，如果存在一种新粒子，就可以解释实验数据。这个新粒子的能量约为1700万电子伏特，质量大致为电子质量的32.7倍，或质子质量的2%。由于这个新粒子比近几十年来所发现粒子的能量要低，因此，按理说物理学家本应该早已发现它。但是，现在才找到这个粒子，这是一件非常奇怪的事。

2016年1月，他们的在《物理评论快报》上了。虽然《物理评论快报》是世界上最具声望的物理学期刊，但是他们的论文并没得到多少关注，直到一个来自美国加州大学欧文分校的研究小组注意到了它。他们也认为，其结果似乎真的不能用标准模型来解释。

新的理论框架

为了解释匈牙利的数据，欧文分校的研究小组提出了一种新的理论。

当前，传统的物理学理论认为，自然界存在四种基本力，而他们的新理论包含了一种新的基本力，即所谓的“第五种力”。

是否真的存在第五种力，已经讨论了几十年了，物理学家始终没有得到确切的答案。另一方面，自然界的确存在一些不能用传统物理理论来解释的事物，比如说暗物质。

暗物质通常被认为是由一种单一稳定的、有质量的粒子构成的。物理学家还认为，除了引力以外，暗物质不与其他已知的力产生作用。也许，暗物质可能与某种未知的力产生相互作用，而普通物质却感受不到这种未知的力？

现在，有关这种未知的力的理论提出了很多。许多理论都假设了宇宙中存在一种暗光子，会与携带“暗电荷”的暗物质粒子发生作用。暗光子与光子类似，而光子会与携带电荷的普通粒子发生作用，其作用就是电磁力。不过它们之间存在着一个不同：光子的质量为零，但许多理论认为，暗光子是有质量的，它可以衰变为正负电子对。

匈牙利研究小组做实验最初的目的，就是为了寻找上面这个与暗物质相关的粒子。那么，他们真的找到了暗光子？

但欧文分校的研究小组认为，找到的新粒子不是暗光子，而是一种“疏质子”（protophobic）粒子，因为这可以更好地解释匈牙利的数据。疏质子英文的字面意思“害怕质子”，指的是它很少或从不与质子发生作用，但可以与中子发生作用。

这种新粒子不带电荷，可衰变为正负电子对。而且，它可以体验到一种未知的力，即第五种力，其作用范围约为12飞米，大致相当于质子大小的12倍。

欧文分校的研究小组表示，除了可解释匈牙利的结果，这种粒子似乎还可以解释其他实验里的一些反常数据。

是真是假？

这可能是真的吗？一些物理学家认为，欧文分校的研究小组提出的理论有点过于另类。

光电子学论文篇(5)

【关键词】光电子技术;教学方法;诱导式教学

Exploration and Innovation for Induction Teaching Method in the Course of “Photoelectron Technology”

ZHANG Yan

（College of Electrical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui 241000， China）

【Abstract】As one of the representative of leading industries of the 21st century， optoelectronic industry plays an important role with the development of science and technology. “Photoelectron technology” is one of the fundamental courses of the major electronic information science. This paper focuses on the problem of the course of Photoelectron technology in the undergraduate education， through introducing the scientific research into the course and using the induction teaching method and the diversified assessment standard to explore teaching mode of photoelectron technology. The practice shows that these explorations heavily increase students’ studying passion and improve the teaching effect of the optoelectronic technology.

【Key words】Photoelectron technology; Teaching method; Induction teaching

0 引言

随着国家信息化建设的逐步深入，我国采取了一系列积极、稳妥、有效的措施促进电子信息技术产业高速、持续、健康的发展。从2002年开始国家计委组织实施光电产业化专项计划，光电专项产业化目标[1]是：（1）根据我国在光电子研究开发方面所具有的技术优势和资源特点，重点支持一批技术水平高、市场前景好的光电产品，实现产业技术升级，并尽快形成规模生产。（2）“十五”期间初步形成具有一定自有知识产权和产业优势的光电产业体系。通过对我国已有技术和资源优势并在国际市场有竞争力的光电子产品的重点支持，力争在“十五”期间使国内光电产业能够满足国内各行业的需要，并进入国际市场。（3）通过技术创新和项目建设的带动，扶持光电产业基地的形成。光电信息技术产业的迅速发展，使得具有光电信息技术知识背景的从业人员的需求逐年增加。作为培养专业人才的摇篮，近年来，很多高校相继开设了光电信息工程专业。它以培养可从事光学工程、光通信、图象与信息处理等技术领域的科学研究及相关领域的产品设计与制造、开发及应用等工作的应用型人才为目的。

而《光电子技术》作为光电信息工程专业的一门专业基础课，从了解光电子技术的发展和应用开始，通过学习光学基础知识，以光学系统的源、传输通道、信息加载、探测、信号处理、显示和存储为主线，引导学生系统、全面的学习光电子技术。通过本课程的学习应使学生对光电子技术中的基本概念、基本技术和基本器件有比较全面、系统的认识，培养学生分析和解决工程技术问题的能力，为进一步学习相关专业课打下基础。

本文从分析《光电子技术》课程在本科教学阶段的现状及存在的问题出发，通过剖析学生学习的状态及《光电子技术》在教学模式中存在的问题，把书本上的内容与当前光电信息产业的发展现状相结合，采用诱导式教学把科学研究引入课堂，对《光电子技术》的教学思路进行创新性探索。实践表明这些教学探测极大程度的调动学生的学习热情，提高了《光电子技术》的教学效果。

1 《光电子技术》的教学现状及问题

就《光电子技术》这门课程而言，由于教学内容的逻辑推导内容较多，要求以大学数学为基础，具备物理学，材料学，电路电子等多学科的知识和理论体系，导致部分学生对其缺乏兴趣，进而 影响到教学的效果。

尽管近年来，随着的电子设备走进课堂，授课方法也日趋多样，如、“现代化多媒体与传统板书”相结合的教学方法、“图片演示与实物展示”相结合的教学方法、“课堂讲授与小组讨论”相结合的教学方法等[2]。对传统意义上的教学模式进行了改革，如，讲解到激光原理与技术这一章节的时候，在课件中放上激光器以及激光光束的图片，把文字描述的内容以实实在在的实物图片展现在学生的眼前，加深了学生对知识点的理解和接受。这些教育教学方法的改革在很长的一段时间的确取得了很好的教学效果。

然而，随着的物联网技术的发展，现在的大学生可以从互联网上获取海量信息，仅仅是一副图，一个装置器件已经无法引起学生过多的关注。那么，如何吸引到学生的注意力，激发学生的学习兴趣，把《光电子技术基础》这门光电信息工程专业基础课讲解的生动，打开学生通往光电子技术领域的大门，为进一步学习相关专业课打下基础是我们亟需解决的问题。

2 诱导式教学方法

传统意义上的诱导式教学方法早在20世纪80年代被提出，其理论依据出自《论语-述而》：“不愤不启，不悱不发，举一隅不以三隅反，则不复也。”意思是只有当学生百思而不得其解时，教师才可以有选择的启发他，当学生心里明白但不知如何表达时再去开导他，如果学生不能举一反三，就先不要往下进行了。因而诱导式教学应当是“启发”和“引导”相结合，通过“启发”和“引导”学生，使得学生在有限的课堂教学时间内做到触类旁通，提高教学效率。

而大学教育赋予了“诱导式教学”新的含义，除具有传统意义上的诱导式教学的思想以外，还包含了用发展的眼光看待书本上的知识体系，把科学研究、最新的科技发明、科技产品引入课堂。就《光电子技术基础》这门课程而言，可以从光电产业的最新科研成果中提炼出与课本知识点相关联的的内容，通过光电产业的新发明，新应用吸引学生的注意力，在讲解这些发明或应用的过程中传授教学内容，激发学生的学习《光电子技术》的兴趣。以《光电子技术》[3]中“偏振――起偏――检偏”这一知识点为例，如果仅仅从书本上给出的概念出发讲解：（1）偏振指的是振动方向对于传播方向的不对称性;（2）自然光得到偏振光的过程称之为起偏，所用器件为起偏器;（3）检测某一光束是否为偏振光的过程称之为检偏，所用器件为检偏器。抑或在多媒体课件上放置光束起偏/检偏的图片，都不能起到很好的教学效果。为了吸引学生的注意力，激发学生对“光的传播”这一教课内容的兴趣和求知欲，同时扩展学生的知识面，可以从近阶段的热门话题个人全息手机（takee手机）引入，takee手机的亮点之一是可以使用户从各个角度都能感受到浮在屏幕上的全息立体3D效果，进而联系到学生身边的光电信息技术――3D电影，观众要戴上一副特制的眼镜，而这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片，由此把重点落到“偏振”这个知识点上，让学生在一个轻松的教学氛围中不仅学到了新知识，而且知道新知识的应用领域和当前发展的现状，扩宽了学生的知识面和眼界。

因此，大学课堂中的诱导式教学方法应该：（1）培养学生具有批判性思维;（2）具有科学的想象力;（3）具备自我塑造和发展能力。在此基础上，“以点带面”提高学生的创新能力和动手实践能力。

3 多元化的考核评价标准

北京航空航天大学校长前校长曹传钧教授在本科教学上，提出“讲一、练二、考三”的教学模式。指出学生的学习效果体现在：（1）知识面的宽窄;（2）学习，实践的经历;（3）自学的能力;（4）是否具备创造性思维和创造性能力，具有独立的见解等几个方面[4]。那么单纯的一张试卷，一次考试就不能够作为学生掌握知识的依据。

而《光电子技术基础》是理论与实践相结合的一门课程，这就要求其课程的考核评价标准应该具备多元化，多样性的要求。整个课程的考试分为三部分：（1）理论部分的考核：可以采取闭卷考试了解学生对基本概念，基本理论的掌握程度，或者把基本理论深入剖析，采用开卷考试的方式，考察学生运用书本知识分析问题的能力;（2）实验部分的考核：通过实验不仅能够加深学生对知识的掌握，实验本身更是对整个章节，甚至整个课程内容的一个体现，如电光调制实验，旨在让学生掌握晶体电光调制的原理和实验方法，但是该实验从激光发射出的光波经由起偏器，电光晶体，1/4波片，检偏器之后被光电探测器接收，通过信号处理，学生可以在示波器上观察到作用到电光晶体上的调制信号曲线和光电探测器解调后的信号曲线。而这么一套设备展现出来的就是一个完整的光电系统。学生在实验的过程中可以运用光电系统的知识搭建好实验线路，确定光路信号的走向，通过示波器显示的信号曲线分析实验过程中出现的问题，思考该问题出现的原因以及采用何种解决这些问题，从而考察了学生对于光电调制内容的掌握程度，促使学生从实践中意识到理论知识的重要性，提高学生分析问题解决问题的能力;（3）课程设计部分：课程设计旨在学生根据授课内容，通过自学扩大自己的知识面，结合日常生活中使用的光电子产品，培养学生科学的想象力和创新能力。整个成绩采用百分制的标准，三部分的分值分配以60%+15%+25%的形式评判学生对《光电子技术基础》的学习掌握程度。

通过对两届学生的采用诱导式教学和多元化考核评价的教学，其实践表明这些教学探索极大程度的调动学生的学习热情，提高了学生运用所学知识分析问题，解决问题的能力，培养了学生的动手能力和创新能力，达到了《光电子技术》的教学效果。

4 结束语

光是人们最为熟悉的现象之一，从17世纪关于光的本质的两大对立学说到21世纪的信息时代，光电信息技术已经渗透到人们日常生活之中，除了光电子技术专业的学生需要深入系统地学习《光电子技术》外，微电子技术、材料、电子科学与技术等专业的学生也需要了解光电的基本概念和基础知识。探索诱导式教学方法在《光电子技术》课程的新模式和多元化的考核评价标准，把光电基本概念和基础知识与当前光电信息产业的发展现状相结合，使学生较好地掌握所学知识，把握知识点的学术前沿，为学生的进一步学习和发展打下坚实的基础。

【参考文献】

[1]国家计委.国家计委组织实施光电子产业化专项计划[J].中电网，2002，2，28.

[2]于雪莲，顾国华.《光电子技术》教学方法的探讨[J].高教论坛，2009，9（9）：77-78-81.

[3]朱京平.光电子技术基础[M].2版.科学出版社，2009.

[4]徐娟，宋继华，胡佳佳.初论“讲一、练二、考三”[J].计算机教育，2006，6：22-26.

光电子学论文篇(6)

台湾有组织地开展物理学研究始自于1966年，即科技主管部门在新竹清华大学出资设立“物理研究中心”（台湾大学和台湾中研院为合办机构，1983年改由台湾科技主管部门直属，1986年改名为“物理研究推动中心”）以后，通过大力培育物理人才及推动基础与应用物理研究，逐渐形成规模，执行研究计划的数量也由1966年的12项，发展到到1977年的36项，再到1988年的136项，研究水平也得到很大提高。

在1986年以前，岛内物理学研究主要集中在凝聚态物理、原子核物理、原子与分子物理、粒子物理、场论及统计力学等五大领域。其中，凝聚态物理研究的重点放在对固体材料的热性、电磁性、机械性质等方面的了解，进而改进、合成或控制材料的特性，以及研制或发掘新的材料。

原子核物理研究的重点放在原子核结构及现象、电磁作用、强作用力及弱作用力、基本粒子研究之中间媒介等理论内容；原子与分子物理研究的重点放在原子与分子中电子的分布及其与原子核间的电磁交互作用，以及与化学和生命合成物的性质关系等方面；粒子物理及场论属于物理学中最新领域；统计力学则作为方法论，研究重点放在通过系统组成单元之间的相互作用，来了解系统的宏观性质与现象，特别是在相变化、平衡态与非平衡态的热力学性质及现象等问题的微观了解上。

当时岛内物理研究计划虽不少，但其研究题目多属依个人专长及兴趣而从事的自由研究。为有效推进物理学研究发展，台湾科技主管部门下属“自然科学发展处”在1985年初制定了“物理学科规划方案”，以充分地因应在推展即根据科技发展趋势及社会建设需要，规划出研究重点方向，并据以推动大型整合性合作研究计划，逐步使其所培养的专业人才及建立的研究体系，在质与量两方面都得以快速提升。

根据该规划方案，台湾物理学科基础研究重点方向共有5个：规范场论及其现象学研究，稀土及过渡金属系统的磁性及超导性研究，原子分子光谱研究与激光及同步辐射光源发展的配合运用，固体表面的能谱学研究，非线性与相位共轭研究。

上世纪80年代，世界各国掀起高温超导研究热潮后，台湾相关科技人员投入该项研究的越来越多。台湾科技主管部门于1988年1月成立“高温超导研究规划小组”，负责购置关键性贵重仪器设备，供研究人员测试导体物理、化学特性以及材料制作之用，并分北部、新竹、南部三区，以整合计划方式成立高温超导实验室，集中人力、物力，以重点研究寻求突破，提高岛内研究水平。

由于表面物理研究对台湾当时正在大力发展的电子及化工产业有极其重要的关系，台湾科技主管部门于1986年9月成立了“表面物理研究规划推动小组”，制定了《表面物理计划建议书》及《合作研究计划书》，选择能相互支持配合的研究重点，组成研究团队，集中资助其开展表面物理研究。

主要物理研究机构

成立于1997年的台湾“理论科学研究中心”理论物理组，现任主任朱创新来自新竹清华大学物理系（主攻粒子物理），聘请的“中心科学家”有蒋正伟（主攻粒子物理）、耿朝强（主攻粒子物理）、Cazalilla， Miguel A.米格尔（主攻核物理）、陈宣毅 （主攻生物物理）、陈柏中（主攻凝聚态物理）、仲崇厚（主攻凝聚态物理）、寺西庆哲（主攻凝聚态物理），另有十余名博士后及助理研究人员，每年还有数十位来自各地的“中心合作科学家”，他们共同组成12个重点研究小组，开展各领域研究外，还常常开展对外学术交流，举办国际性学术会议，邀请海外专家学者来台湾讲学和共同开展学术活动。

为增强该中心各重点研究小组与不同领域研究人员的互动，他们每年都要在台北、新竹、台南市三地轮流举办“中心物理日”，同时召开“理论物理大趋势”研讨会。同时，他们还积极培养与鼓励岛内年轻学者进行前沿科学研究，每年都要颁发“年轻理论学者奖”与“博士后研究论文奖”。

在对外交流与合作方面，他们积极与多个海外研究机构开展合作，包括大陆重庆邮电大学数理学院、北京大学物理学院、中国科学技术大学交叉学科理论研究中心、美国马萨诸塞州立大学物理系、日本高能物理研究中心、日本京都大学基础物理学研究所、韩国亚太理论物理中心、韩国高等研究院、澳大利亚高能粒子物理卓越研究中心、越南HUE大学和越南科学院物理研究所等。

目前，台湾从事基础物理研究的专业人员大多集中在设有物理学系/所的公私立高校内，每年最多的有台湾大学、新竹清华大学、新竹交通大学、成功大学、台湾师范大学、淡江大学、东吴大学、中国文化大学、辅仁大学、中央大学、中原大学、中兴大学、东海大学、彰化大学、高雄师范大学、中山大学、中正大学等物理学系/所。

能够开展实验物理学研究的机构主要为拥有较精密大型实验仪器设备的新竹清华大学、台湾大学、台师大、台湾中研院物理研究所和原子与分子科学研究所、台湾原子能主管部门下属的核能研究所，以及科技主管部门组建并管理的同步辐射研究中心等。

台湾中研院物理研究所的历史可追溯到1928年在上海建立的理化实业研究所，1962年在台湾复建，由吴大猷担任首任所长，此后一直是台湾实验物理学研究的主力。1970年，该所将研究领域扩展至大气科学与流体力学，之后又在1975年新增生物物理研究计划。上世纪80年代，该所的研究领域扩充至场论与粒子物理、原子核物理、统计与计算物理等领域。

该所现任所长为李定国，共有45位研究人员，包括特聘研究员3名、研究员22名、副研究员12名、助理研究员3名，每年约有400余名访问学者、博士后、兼任助理的研究生等约人来所从事研究工作，分为纳米科学、中高能物理和复杂系统3个研究群组，研究方向涵盖中微子物理及探测器、重夸克及大型对撞机物理、宇宙反物质及暗物质、高温超导、磁性物理、纳米科学、统计与计算物理、生物物理等领域，所内拥有加速器实验室、纳米核心设施中心、生物图像核心设施、精工室以及高速网络计算平台等，大型实验设备和仪器包括3MV串级静电加速器、场发射穿透式电子显微镜、双枪聚焦粒子束及扫描式电子显微镜、电子束曝光系统、激光曝光机、1000级无尘室内制程设备（含黄光室）、纳米压印机、激光热扩散测量系统、纳米粉末及薄膜制备系统、共轭焦激光显微系统、全反射荧光显微系统、荧光显微镜、三维超解析荧光显微系统、拉曼图像显微系统、多光子荧光显微镜、原子力显微镜等，几乎全部对外开放。

台湾中研院原子与分子科学研究所由诺贝尔化学奖得主李远哲倡议筹建，1995年正式成立，位于台北市台湾大学校园内。现任所长周美吟，共有30位专职研究人员、10位特聘研究员，每年约有200余位访问学者及博士后、研究助理及研究生参与该所的研究工作。该所研究的范围涵盖化学、物理、光电等领域，并划分为尖端材料与表面科学组、原子物理与光学组、化学动态学与光谱组、生物物理与分析技术组等四个研究群组。

该所设有量子材料理论实验室、表面纳米结构实验室、尖端材料实验室、分子/材料模拟实验室、表面动力学与动态学实验室、固态核磁共振及触媒化学实验室、量子纳米电子材料模拟实验室、生物物理电脑模拟实验室、自发性表面纳米结构实验室、纳米元件物理实验室、纳米磁学实验室、现代光谱实验室、有机材料实验室、瞬态分子激光光谱实验室、分子束化学反应动态实验室、光化学实验室、生化分子质谱与光谱学实验室、生物质谱分析实验室、基因与分子发育遗传学实验室、强场物理与超快技术实验室、理论原子碰撞实验室、超低温原子与分子实验室等，拥有利用VUV同步辐射光探测化学反应产物的动力学实验研究装置、多质量离子图像探测器、10兆瓦飞秒脉冲激光器、交叉分子束仪、多质量光碎片离子影像仪、双色共振多光子游离光谱仪、自旋隧道电子扫描显微镜等仪器。

台湾中研院天文及天文物理研究所自1993年开始筹建，直到2010年6月才正式成立，位于台湾大学校区内（天文数学馆大楼内），另在美国夏威夷设有办事处。首任所长为贺曾朴，现有31位研究人员，包括特聘研究员4名、研究员5名、副研究员11名、助研究员11名，每年都有100多名访问学者、博士后研究人员、海外科学家来此从事合作研究工作，主要研究方向包括河外天文学、恒星形成、星际与拱星介质（也称原行星盘）、天文尘粒物理、高能天文物理、理论及观测宇宙学、太阳系及系外行星系统、天文仪器安装与测试等，2013年共204篇。

2004年，该所设立高等理论天文物理研究中心，最初位于新竹市清华大学校园内，2013年迁至台湾大学，目的是将天文物理研究与教学相结合，将研究成果整合融入岛内大学生及研究生的教育课程之中，培养下一代天文学家。自成立以来，该中心积极开展有关宇宙中恒星、行星、致密天体、星系等起源与演化问题的研究，包括流体动力学、磁流体动力学、天文化学、辐射转移等数值模拟，每年均举办一期冬季/夏季短期课程、2到4次学术研讨会或各种规模的主题式课程，同时积极邀约外国访问学者造访该所，举办学术研讨会与短期培训课程，将最新的理论天文物理研究成果带给台湾。

由于台湾缺少独立建造大型天文望远镜的经济和技术能力，以及岛屿环境的地理和气候条件不适宜开展天文观测，因此除在嘉义鹿林山上建有4座口径仅50厘米的小型天文望远镜外，其余观测设备都是通过在外国与其他天文台或天文国际组织合作建造的方式来取得，包括位于美国夏威夷冒纳基山的次毫米波阵列射电望远镜和宇宙微波背景辐射阵列射电望远镜，以及位于格陵兰的12米射电望远镜和目前正在建造中的位于智利阿塔卡玛沙漠的大型毫米波及次毫米波阵列射电望远镜，台湾都只是众多参与者之一，仅拥有这些天文观测设施的部分使用权力。

以上台湾中研院这几个研究所本身都有固定的研究经费预算，而大学物理学系/所的研究经费主要由“国科会”补助，每年约150个物理专题研究计划项目，经常参与计划申请的研究人员有300人左右。

根据历年《台湾科技年鉴》、《“国科会”年报》及科技主管部门下属“物理研究推动中心”发表的各种简讯、报告等资料显示，目前台湾物理学研究主要集中在天文及天体物理、基本粒子与宇宙学、高能物理实验、原子核物理、凝聚态与表面物理、统计与计算物理、生物物理、流体与非线性物理等领域。

粒子物理与宇宙学

在粒子物理领域，台湾因缺少大型实验设备，故以理论研究为主，其研究人员主要分布在台湾中研院、台湾大学、新竹清华大学、成功大学、台师大、中央大学、中原大学、东海大学、中兴大学和新竹交通大学等机构，根据专长和爱好组成研究团队，每年固定召开研讨会，相互启发，共同促进理论水平的提高。

例如在2000年，台湾一组科研团队发现重介子非轻子弱衰变的规范不变及发展红外有限理论，即在微扰量子色动力学的因次化定理架构下，可建立一个规范不变及红外有限的理论，避免红外无穷大问题。

台湾科学家2001年提出量子动力学及弦论新算法，藉由非交换几何的描述研究相关问题。此外，提出研究B介子衰变的量子色动力学理论，借着对强作用机制的掌握，从实验数据可精确萃取标准模型中的弱相角等基本参数。2002年，在在弦论方面，推导S-膜的有效作用量，并求出在超光速粒子的背景下形成基本弦的解。

台湾科学家2004年推论，奇夸克和底夸克间可能有相当大的混杂，因此会造成新的CP相位及右手动力学；利用手征对称来探讨π介子、K介子和η介子等粒子光锥分布函数的SU（3）违逆，并建立具有交互作用及化学位能的非相对论性费米子系统（自旋1/2）的晶格场论，这个理论可以应用在粒子间距大于位能作用范围的情况，而且不会有符号问题。

2007年，台湾科学家提出B介子衰变的偏极化问题，给出不同的衰变其湮灭图贡献的关系式。2008年，提出寻找希格斯波玻色子时可籍由其一种衰变模式，即当其衰变成4个底夸克所形成的不变质量，来补偿寻找希格斯粒子的可能机会。

近几年，随着欧洲大型强子对撞机（LHC）正式运行并不断公布最新实验结果，开展对标准模型以外新物理现象的研究，成为岛内新热点。例如台湾大学物理系何小刚教授及其团队在2010年发现，标准模型不可能得出2005年在美国费米实验室的Hyper CP发现大于标准模型预言的Σ+->pμ+μ-衰变率的结果，这一结果有可能解释为一质量为214MeV的新粒子引起的反常现象。这一模型有很强的预言性并能被LHC实验检验，如暗物质的直接产生等，并存在其它新粒子的可能性。

此外，2011年，台湾中研院物理所李湘楠与美国密西根州立大学研究人员合作，以微扰量子色动力学的重求和方法为基础，建立强子对撞机中喷流现象的理论架构，成功描述费米实验室及欧洲大型强子对撞机测量的喷流质量与喷流内部的能量分布，首度实现物理学家以量子场论研究喷流现象的想法。

高能物理实验

在高能物理实验领域，由于台湾岛内缺少大型实验设备，只能借助外国。上世纪90年代，经美籍华裔科学家丁肇中的安排，有5名台湾科学家先后赴欧洲核子研究中心（CERN）从事高能物理方面的实验研究。自2001年起，他们开始加入大型强子对撞机中的紧凑型μ子螺旋管探测器（CMS）研发制造团队，负责前端的预显示探测器的建造、运行维护与数值分析，与国际上一流研究团队合作，共同寻找希格斯粒子。

近年来，台湾科学家还参加大型强子对撞机寻找希格斯粒子最重要的衰变频道（希格斯粒子衰变到双光子频道）物理分析，为2012年新发现一个类似希格斯粒子的新玻色子做出成绩。此外，他们还投入对重夸克的探索，已成功的提出几项与重夸克有关的重要成果，在相似于标准模型下前三代夸克的序列型第四代夸克，以及非标准的奇异夸克的研究上皆有贡献。

经华裔科学家叶恭平的协助，台湾中研院物理所部分研究人员1993年加入美国阿贡国家实验室的费米碰撞探测器（CDF）研发团队，参与粒子探测器的建造（负责提供并列光纤传输模组）与实验结果分析。1年后，该团队顺利发现顶夸克。2004年，该团队发现由5个夸克所构成粒子，被认为是过去30年中首次观察到重子、介子之外，新一类多夸克所构成粒子的最明确证据。

1999年，台湾大学高能物理研究人员又参与日本B介子工厂Belle实验，致力于B介子的稀有衰变与CP破坏的研究，在2005年发现了B介子到两个K介子衰变的证据，确定“直接”电荷宇称破坏。另外，还参与日本重子设施兴建计划，负责建造时间飞行探测器，利用50GeV高能质子束，进行粒子物理和核废料处理实验研究。

李世昌领导的台湾中研院物理所高能实验团队还参与建造人类第一个太空磁谱仪（AMS），由美国“发现”号航天飞机载往地球轨道进行测试，发现地球附近的太空中有许多以前从未观测到的高能量质子、电子、反电子及氦的同位素原子核氦3，其中反电子数约为电子的4倍，且氦3数量远多于氦4。

由台湾中研院物理所主导的“台湾中微子实验”是岛内首次开展的高能粒子物理实验。在台电公司核能二厂内，距离反应堆28米处建立实验室，以研究中微子物理特性。实验设备包括重量达50吨的屏蔽体，以防止宇宙射线及周围环境辐射所造成的背景干扰，还有精密的高纯锗及闪烁晶体探测器，加上性能先进的电子仪器，用来显视、监控、记录及分析探测器的信号。合作团队除了台湾中研院、核能所、新竹清华大学外，还包括来自大陆中科院高能研究所、原子能研究院、北京清华大学、南开大学、四川大学，以及土耳其与印度的科研机构。

该合作团队在2007年进行的中微子磁矩实验研究，灵敏度达到世界一流水平。2010年再接再厉，完成了中微子与电子交互作用截面的测量，所采用的极低能高纯锗探测器技术，其探测能量范围比之前更低100倍，成功开启了研究暗物质的视窗，在未被前人检验的能量区域里，证明粒子物理的标准模型依然有效，并限制了新物理理论的可能参数。所有实验结果确信没有发现任何中微子磁矩和辐射衰变的证据。其在2013年3月发表的最新数据，否定了美国CoGeNT实验在2011年发表的有关暗物质的证据及诠释，并引证其数据处理的不足之处。

目前，台湾科学家正在与北京清华大学等机构合作，在四川锦屏山地区建造世界最深的地下实验室，准备全力开展寻找宇宙暗物质的研究，备受国际同行期待。

原子分子物理

在原子分子物理领域，包括中低能核物理研究，主要在台湾中研院原子与分子科学研究所、原子能主管部门下属核能研究所及台湾大学、新竹清华大学、新竹交通大学、中央大学、中原大学等研究机构开展，如利用激光冷却低温原子实验、激光等离子波电子加速器、同步辐射光源的相对比X光显微术等，开展夸克胶子等离子体的特性及原子核内的非线性动力学研究。

例如，台湾科学家发展出多重能量相位迭加的理论，即把光学全像术的概念，应用于波长小约1万倍的电子绕射上，将实验得到的电子绕射图案做简单的傅立叶转换，即可看到所测量系统的原子三维结构，并发现电子绕射图案或曲线的Patterson反转，也可直接获得所测量系统的原子三维结构。

2006年，台湾中研院原子与分子所的研究人员利用交叉分子束及先进的时间切片离子图像仪技术，测量高能量分子与氪原子在交叉分子束中碰撞的散射图像结果，藉由分析有机分子光化学实验所得到的能量转移机率分布函数，直接观察到超级碰撞（即一次碰撞转移很多能量）的存在。

新竹清华大学物理系王道维教授在2008年发现，如果考虑一系列多层的二维结构，这些冷分子是可以排成长链状的流体，造成一种以前只有在软物质物理或化学反应里看到的“极性流体”现象，但与之不同的是，这样的长链结构同时拥有温度与量子效应。由此证明许多在多分量低维度的半导体系统中的多体物理现象其实更容易在冷分子的系统内达成，原因是冷分子间的偶极作用力可以同时有排斥力与吸引力，且因作用力的主角可以为费米子或玻色子，这使得未来可以有更宽广的空间来研究一些多体物理的基本性质。

光电子学论文篇(7)

关键词：黑体辐射；康普顿效应；微拢理论；波动性；粒子性

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-0066-02

一、人类对光的本性认识的发展过程

光的本性问题是贯穿在光学发展中的一个根本问题。正是这种对光的本性的探讨有力地推动了光学以及整个物理学的发展。人们对光的本性的认识，从光是“物质的微粒流”，经历了光是“以太的振动”，光是电磁波到光是波粒二象性的统一等各个认识阶段。这一认识历程从牛顿和惠更斯之争算起到现在其间经历了三百多年。人们遵循实验—假设—理论—实验这条途径，逐步达到了对光的本性的认识，这一认识揭示了物质世界光和电磁的统一，光的波动性和微粒性的统一。

在大学本科层次的光学教学中，光与物质相互作用的黑体辐射和康普顿效应是光学课程最主要的内容之一。但其内容比较抽象，学生对它的理解比较困难，因此不易讲解，并且一部分教师和学生在理解过程中存在一些概念的错误和混淆。下面笔者以光学课程中的一些经典问题为例，研究在光学教学中存在的一些敏感问题。

二、光微粒说法中的两个问题

1.黑体辐射。众所周知，普朗克公式在近代物理的发展中占有极其重要的地位，它不仅奠定了量子论的基础，而且解决了基尔霍夫定律所提出的普适函数问题，成为黑体辐射理论最基本的公式，并且由其可导出黑体辐射的其他定律。普朗克公式通常可表示为：

?籽（v，T）=■■ （1.1）

其中，hv为能量子，c为光速，T为温度，k为玻尔兹曼常数，v为电磁波频率，h是普朗克常量，其值为：h=6.63×10-34J.s。普朗克辐射定律的建立，不仅解决了物理学中的所谓“紫灾”问题，同时对于黑体辐射找到了一个既适用于长波区，又适用于短波区的统一公式；更伟大的意义在于他提出了能量量子化的概念，即能量是不连续的，存在着能量的最小单元（能量子hν），物体辐射或吸收能量是这最小单元的整数倍，而且是一份一份地按不连续的方式进行的。这就为量子物理和发展奠定了基础。

普朗克的能量子辐射理论很好解决了经典理论不能解释的黑体辐射问题，能量子概念也极大地冲击了传统理论认为能量是连续的信念，它不仅为量子物理学的诞生奠定了坚实的基础，同时也使爱因斯坦受到极大启发，爱因斯坦就是在发展了能量子理论。

2.康普顿效应。康普顿效应是表明光具有粒子性的另一个现象。这现象首先是由康普顿于1922～1923年间发现的。当波长很短的X射线通过某种物质时，散射光中除了有原有波长?姿0的X射线外，还有较长波长?姿的X射线的散射现象称为康普顿效应。对同一散射物质，波长的改变与散射角的关系为：

?姿'-?姿=?姿■（1-cos?兹） （1.2）

图1 康普顿散射的动量关系

其中，?姿和?姿'分别为x射线在散射前后的波长， ?兹为散射角，m0为电子的静止质量，可见在康普顿效应中，当x光的光子与“自由电子”碰撞后，光子将沿某一方向（θ角）散射。同时，碰撞过程中把一部分能量传递给“自由电子”，因此光子因能量减少而波长变大，即波长发生改变。

三、微粒说法的量子解释

这个理论是从光粒子所获得的唯一性和实验方法，本文探讨上述问题，想借助波动的经典理论和量子力学相结合的微扰理论，来进行研究。了原子系统的改变在光的作用下，原子体系的变化情况，用量子力学方法来讨论。两个理论探讨，用电磁波理论描述中光波的有关探讨。

1.康普顿效应问题。康普顿效应，是指X射线的光子，跟物质相互作用，在这一过程中，会失去能量，这样的波长就会变长。光的粒子性的证明式（1.2）作为理论依据的证明性很强。还可以通过波动，利用电子相互作用的入射和散射光，用量子力学描述电子该式，如图2

（a）康普顿散射的能级图 （b）康普顿散射的位相关系

图2康普顿散射

电子从基发态k跃迁到激发态g，这时入射和散乱光分别表示为：

E0（t，■）=cos2?仔c/?姿t-■·■ （1.4）

Es（t，■）=cos2?仔c/?姿't-■·■ （1.5）

其中■=2?仔/?姿，■'=2?仔/?姿'，E0为自由电子波，W是由因散乱生的动能。

ES是受扰动的电子的波，即从基发态k，到激发态g。

该扰动过程随时间变化产生的，这样（1.4）、（1.5）作用二级微扰，得出能量守恒定律。

设由体系的哈密顿量而得到的n级近似方程：

i?捩■C■■（t）=■H'■（t）e■Cgk（n-1）（t） （1.6）

则二级微扰方程为：

i?捩■C■■（t）=■H'■（t）e■Cgk（1）（t） （1.7）

其中C■■（t）=■■e■H'gk（t）dt,wgk=■，

C（2）■■（t）=■■H'gk（t）e■C（i）gk（t）dt

设kg（≠g）跃迁几率为P（2）gk，则可表示为：

P（2）gk=?啄c/?姿-c/?姿'-W/h （1.8）

由上式（1.8）可得以下的能量守恒定律：

（hc/?姿）-（hc/?姿'）=W （1.9）