光子学介绍

2005/3/2/15:20来源：源作者:钱学森    论推广到光学领域算起，激光科学技术已有二十年的历史了。但正如一切新事物一样,人们总是在实践中，逐步认识事物的本质，逐步认识其特性。在国外，因为激光器是从微波受激发射器发展而来的，所以在开始曾命名这门科学为量子电子学，好象是电子学的一个分支。现在看来，这样做是不够妥当的。理由是激光的实质是光量子即光子的运动，或说是光子的产生、运动和转化。而光子在本质上是不同于电子的粒子，如光子还没有确切地发现有静质量，而电子有静质量；光子自旋为lh，而电子自旋为：1／2 h等等。所以 量子电子学这个词不但冗长，而且不严密，应该叫：光子学”。它是一门和电子学平行的科学，而不是一门在电子学之内的科学。

    光子学独立出来，它就应该把老科学光谱学吸收进来。既然是光，就从远红外算起，包括红外、可见光、紫外，真空紫外、x光，直到y射线。我们的观点与老学科的光谱学也许有些不同的侧重，光子学的光谱学主要是要研究不同能量，不同性能光子的发生与转化，而老光谱学是要通过光谱探索微观物质的结构。老光谱学已经积累了大量重要的数据，现在该利用微观结构的知识来寻找合适的发生光子的工作物质。另一方面是利用微观结构的知识来研究光子在物质中的转化。这是现在很活跃的激光光谱学。

    激光器的理论和探测仪器、装置的理论自然也是光子学的一个组成部分。光子学也包括非线性光学，这也是一门活跃的学科。

    光子和电子的相互作用也是光子学重要研究领域之一，特别因为自由电子束激光器是很有发展前途的。这种激光器的优点之一就是可以通过调节电子束的能量来连续地调节光子的能量（波长），尽管它目前还遇到提高发射功率的一些困难，但这总可以在进一步研究中解决。现在由于现代物理技术、高能物理的需要，电子来技术已比较成熟，电子能量从几兆电子伏到十几兆电子伏，脉冲流强在低一点电子能量时可以达到兆安以上。所以这一现有技术完全可以利用。我们也看到这一类激光器，当电子束能量达到百兆电子伏时，产生的激光波长λ,与激光周期结构入₀E_e（（电子伏，即0。51098兆电子伏）和电子束能量E（电子伏）的关系是一

E₀

λ≌常数λ₀（-）²

E

    其中常数随自由电子束激光器构造原理的差异而不同，但都是数量级为一的常数；对固定周期性电磁场的自由电子束激光器来说，λ₀就是磁场周长；对用光对撞电子的自由电子束激光器来说，λ₀人就是人射激光波长。目前用自由电子束贯穿周期磁场已获得了3.417微米的激光。我们不难使(Ee／ E）²这个因子达到 10^-6以至 10^-8，所以自由电子束激光器也可能产生X光激射和γ射线激射；当然要推进到这样短的波长，还要做许多工作，还会遇到不少困难。

    有了光子学，还可以用来帮助许多自然科学和基础科学的研究。例如在遥远的天空，就发现有些高恒星不远的大规模分子云，其中出现能级分布的反转，因此也是天然的大激射器。在不远的将来，会有一门光子天文学新学科出现。用光子来激发分子，控制化学过程，也是大有前途的，现在已出现激光化学或光子化学的学科。