當(dāng)今社會的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了綠色環(huán)保、可持續(xù)的信息時代，科技創(chuàng)新起著引領(lǐng)作用，綠色的新型能源、大容量信息的高速安全傳輸是兩大主流創(chuàng)新技術(shù)，其研發(fā)與進(jìn)展尤其引人注目。但它們的發(fā)展都離不開功能材料(光傳導(dǎo)材料、鋰離子化合物等)的研制和功能器件(半導(dǎo)體器件與芯片、固體激光器、傳感器和探測器等)的制造，這不僅涉及固體性質(zhì)、固體微觀結(jié)構(gòu)及其各種內(nèi)部運(yùn)動，以及這種微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動同固體的宏觀性質(zhì)的關(guān)系的基礎(chǔ)研究，還需要高新技術(shù)來支撐，以實(shí)現(xiàn)材料與器件制造的工藝需求。
本書融合作者的教學(xué)和科研成就、結(jié)合信息社會發(fā)展需要，凝練出的兩個發(fā)展領(lǐng)域：能源和信息，介紹這兩個領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展應(yīng)用。
前言
縱觀科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)每次物理學(xué)的發(fā)展與突破，往往會產(chǎn)生新技術(shù)，改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)方式，提高社會生產(chǎn)力
、人類的生活水平和社會發(fā)展潮流。因此，重視物理學(xué)的新概念、新理論和新技術(shù)的應(yīng)用對科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、人類社會的發(fā)展至關(guān)重要。近代社會的三次工業(yè)革命都與物理學(xué)的突破密切相關(guān)： 優(yōu)質(zhì)次工業(yè)革命源于熱力學(xué)的循環(huán)及其效率的研究，由此推動了蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用； 第二次工業(yè)革命源于電磁學(xué)的研究和電磁場理論的建立，帶來了工業(yè)電氣化和無線電通信技術(shù)； 以相對論和量子力學(xué)為引領(lǐng)的近代物理學(xué)，使人類進(jìn)一步踏入了第三次工業(yè)革命，愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論不僅改變了人們的時空觀，促進(jìn)了人們對高能量高速粒子和宇宙學(xué)的研究，還帶來了空間技術(shù)、地空通信、原子核技術(shù)開發(fā)和核能發(fā)電等一系列新技術(shù)的突破和應(yīng)用。量子力學(xué)對于光子、電子和原子等微觀粒子的研究，開辟了微觀粒子探索的新途徑，由此衍生出了以激光為代表的近代光學(xué)和以能帶理論為基礎(chǔ)的固體物理學(xué)等一系列新的物理分支，促進(jìn)了半導(dǎo)體材料、納米材料等功能材料的發(fā)展，推動了集成電路芯片、各種光電器件的制作和應(yīng)用，使人類進(jìn)入了電子信息時代。同時，其還促進(jìn)了新材料、現(xiàn)代光學(xué)、核技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展和突破，形成一系列新產(chǎn)業(yè)。因此，又被稱為第三次工業(yè)革命。綜上所述，相對論和量子力學(xué)的建立與應(yīng)用，為人類社會發(fā)展注入了新的活力，帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。
在現(xiàn)代信息社會的發(fā)展中，科技創(chuàng)新起著引領(lǐng)作用，尤其是能源、信息、太空技術(shù)、人工智能、生物技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展更引人注目，但它們的發(fā)展都離不開功能材料和半導(dǎo)體芯片，都涉及固體物理學(xué)的研究。它的研究重點(diǎn)是固體性質(zhì)、固體微觀結(jié)構(gòu)及其各種內(nèi)部運(yùn)動，以及這種微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動同固體的宏觀性質(zhì)(如力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)等)的關(guān)系。由固體物理學(xué)派生出來的半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體器件和集成芯片成為信息社會的基石； 固體激光、半導(dǎo)體激光、光纖通信技術(shù)帶給人類方便快捷的網(wǎng)絡(luò)通信、五彩繽紛的彩色世界、精準(zhǔn)高效的加工技術(shù)； 以鋰電池為代表的新型固體電池、半導(dǎo)體光伏、風(fēng)能、核能等，為人類提供了新的動力。這些無碳能源，不僅減少了碳污染，還具有可持續(xù)性； 人工智能、量子信息的發(fā)展需要更具特性的光電器件來實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大、低能高效的人工智能算法和量子計算，實(shí)現(xiàn)更加安全可靠、信息量更多的量子信息傳輸。
本書主要由陽光學(xué)院黃春暉教授撰寫。陳嫻博士和張春玲副教授分別參與了第3章和第9章的撰寫。本書得到了陽光學(xué)院高層次人才的立項(xiàng)資助和人工智能學(xué)院的大力支持，在此致以衷心感謝。
本書可作為從事現(xiàn)代光通信技術(shù)和新能源開發(fā)應(yīng)用的研究人員及工程技術(shù)人員的參考書，也可以作為大學(xué)物理的專題讀物，為電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、材料科學(xué)與工程等專業(yè)的本科生開設(shè)專題講座，讓學(xué)生進(jìn)一步了解物理學(xué)在現(xiàn)代光通信技術(shù)和新能源開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮的作用，并拓寬學(xué)生的視野。
由于時間倉促，書中難免有錯誤之處，敬請讀者批評指正。
作者
2024年10月于榕城
黃春暉教授/博導(dǎo)，陽光學(xué)院教師。中國電子學(xué)會和物理學(xué)會會員，中國測量與儀器儀表分會委員。入選福建省百千萬人才工程和541跨世紀(jì)人才工程。在新型自由空間相干光通信研究，低維（納米）半導(dǎo)體和微電子技術(shù)研究有所建樹。完成國家和省部級項(xiàng)目10多項(xiàng)，論文超過70篇，發(fā)明專利10多項(xiàng)。國家精品在線開放課程《固體物理學(xué)》和省一流“金課”《大學(xué)物理學(xué)》負(fù)責(zé)人。出版《固體物理數(shù)字課程》、《新工科大學(xué)物理學(xué)教程》。
目錄
第1章近代物理學(xué)基礎(chǔ)
1.1電磁波的產(chǎn)生和傳播
1.1.1從電磁振蕩到電磁波
1.1.2偶極振子發(fā)射的電磁波
*1.1.3赫茲實(shí)驗(yàn)
1.1.4光波屬于電磁波
*1.1.5電磁波理論
1.2現(xiàn)代物理學(xué)的建立
1.2.1經(jīng)典物理學(xué)的成熟標(biāo)志——三次大綜合
1.2.2邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)光速不變
1.2.3相對論的創(chuàng)立過程
1.2.4量子力學(xué)的誕生
1.3狹義相對論的時空觀
1.3.1伽利略變換
1.3.2相對論的基本假設(shè)洛倫茲變換
1.4相對論動力學(xué)
1.4.1相對論中的質(zhì)量和動量
1.4.2相對論中的質(zhì)能關(guān)系
1.4.3相對論的應(yīng)用
1.5經(jīng)典量子論
1.5.1黑體輻射普朗克量子化
1.5.2光電效應(yīng)與光的粒子性
1.5.3康普頓效應(yīng)
1.5.4氫原子模型和氫原子光譜
*1.5.5原子能級的測量
1.6德布羅意波 物質(zhì)的波粒二象性
1.6.1物質(zhì)波
1.6.2電子衍射實(shí)驗(yàn)
1.6.3不確定關(guān)系
1.7量子力學(xué)基礎(chǔ)
1.7.1波函數(shù)及其統(tǒng)計詮釋
1.7.2薛定諤方程
1.7.3定態(tài)薛定諤方程的應(yīng)用
*1.8原子的量子理論
1.8.1氫原子
1.8.2多電子原子中的電子分布
參考文獻(xiàn)
附加讀物量子力學(xué)兩大學(xué)派的關(guān)鍵人物
第2章從半導(dǎo)體材料到芯片
2.1半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)
2.1.1晶態(tài)固體的基本性質(zhì)
2.1.2晶體中的電子狀態(tài) 能帶結(jié)構(gòu)
2.1.3本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體
2.2pn結(jié)和其他半導(dǎo)體器件
2.2.1pn結(jié)
2.2.2三極管
2.2.3MOS場效應(yīng)管
2.3集成電路
2.3.1半導(dǎo)體芯片制造工藝
2.3.2集成電路與半導(dǎo)體芯片
2.3.3集成電路設(shè)計與IP設(shè)計技術(shù)
2.4光刻技術(shù)
2.4.1光刻技術(shù)的發(fā)展史
2.4.2光刻原理與技術(shù)
2.4.3EUV光刻機(jī)
2.4.4國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)
參考文獻(xiàn)
第3章零碳能源
3.1綠色環(huán)保的風(fēng)力發(fā)電
3.1.1風(fēng)能利用及風(fēng)力發(fā)電歷史
3.1.2風(fēng)力發(fā)電原理與效能分析
3.1.3風(fēng)電機(jī)組
3.1.4風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)
3.2可持續(xù)的水力發(fā)電
3.2.1水力發(fā)電的原理與基本類型
3.2.2水力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
3.2.3水輪發(fā)電機(jī)的工作原理
3.3清潔高效的核電能
3.3.1核裂變和核聚變的基本原理
3.3.2輕核聚變
3.3.3壓水堆核電站
3.3.4核電站按反應(yīng)堆類型分類
3.3.5核電站安全保障系統(tǒng)
3.3.6我國核電的發(fā)展
3.4取之不盡的太陽能
3.4.1太陽能與太陽輻射
3.4.2太陽能電池工作原理
3.4.3光伏發(fā)電技術(shù)與分類
3.4.4光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用
3.4.5太陽能熱水器工作原理
參考文獻(xiàn)
第4章納米科技與鋰離子電池
4.1納米技術(shù)概述
4.1.1納米材料與技術(shù)的發(fā)展概要
4.1.2納米材料的特性
4.1.3納米材料的分類與制備
4.2典型的納米材料與器件
4.2.1納米磁性材料
4.2.2納米陶瓷材料
4.2.3碳納米材料
4.2.4納米膜
4.2.5納米電子技術(shù)
4.2.6納米材料在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用
4.3介孔材料
4.3.1兩類介孔材料
4.3.2MCM-41有序介孔材料
4.4納米結(jié)構(gòu)的自組裝和模板合成技術(shù)
4.4.1納米結(jié)構(gòu)的自組裝
4.4.2厚膜模板合成納米陣列
4.4.3有序介孔材料的應(yīng)用
4.5鋰離子電池概況
4.5.1鋰離子電池的特點(diǎn)
4.5.2鋰離子電池的種類
4.5.3鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)和用途
4.5.4鋰離子電池的發(fā)展歷史
4.6鋰離子電池的工作機(jī)理及其組成結(jié)構(gòu)
4.6.1正極材料制備及其工作機(jī)理
4.6.2鋰離子電池的負(fù)極材料
4.6.3電解液
4.6.4隔膜
4.6.5鋰離子電池充電方法
4.7鋰電池生產(chǎn)工序
4.7.1前段工序
4.7.2中段工序
4.7.3后段工序
4.8全固態(tài)鋰電池
4.8.1全固態(tài)鋰電池的原理
4.8.2全固態(tài)電池的性質(zhì)
4.8.3全固態(tài)電池的用途
4.8.4全固態(tài)電池實(shí)用化的研究
參考文獻(xiàn)
第5章光纖通信技術(shù)
5.1激光的基本原理
5.1.1自發(fā)輻射和受激輻射
5.1.2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大
5.1.3光學(xué)諧振腔
5.2半導(dǎo)體激光器
5.2.1半導(dǎo)體產(chǎn)生受激輻射的條件
5.2.2半導(dǎo)體激光器的工作原理
5.2.3激光的特性和應(yīng)用
5.3信息傳輸?shù)闹髁姟饫w通信
5.3.1發(fā)展歷程
5.3.2光纖通信原理
5.3.3數(shù)字光接收機(jī)
5.4光纖傳輸機(jī)理
5.4.1光射線的傳播定律
5.4.2光纖傳輸機(jī)理的射線理論
5.4.3階躍型光纖的波動光學(xué)理論
5.5光纖放大器
5.5.1EDFA光纖放大器的工作原理
5.5.2光纖放大器的構(gòu)成及泵浦方式
5.5.3光纖放大器的應(yīng)用
名人堂：光纖之父高錕與光纖通信
5.6海底光纜
5.6.1設(shè)備結(jié)構(gòu)
5.6.2遠(yuǎn)程供電源設(shè)備和海底中繼器
5.6.3技術(shù)原理
5.6.4海底光纜的維護(hù)
5.6.5海底光纜的發(fā)展現(xiàn)狀和展望
參考文獻(xiàn)
第6章多維度光纖傳輸與全光纖網(wǎng)絡(luò)
6.1多維度光纖通信
6.1.1提高信號的波特率
6.1.2光纖通信復(fù)用技術(shù)
6.1.3高階調(diào)制
6.2光調(diào)制技術(shù)
6.3光調(diào)制器及其調(diào)制技術(shù)
6.3.1幅度調(diào)制
6.3.2光相位調(diào)制
6.4多維度光纖傳輸?shù)难芯窟M(jìn)展
6.4.1光纖通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀
6.4.2多維度光纖傳輸技術(shù)的研究進(jìn)展
6.5光纖通信網(wǎng)
6.5.1光纖傳輸網(wǎng)
6.5.2光纖網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)名和地址
6.5.3全光網(wǎng)
參考文獻(xiàn)
第7章相干光通信
7.1相干光通信的研究現(xiàn)狀
7.1.1研究現(xiàn)狀
7.1.2相干光通信的優(yōu)勢
7.2相干光通信原理與核心技術(shù)
7.2.1相干光通信原理
7.2.2相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)
7.3單空間模的連續(xù)變量相干光通信
7.3.1單光束相干光通信的基本原理
7.3.2兩種偏振復(fù)用調(diào)制協(xié)議
7.3.3偏振復(fù)用的CV-QKD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
7.3.4偏振復(fù)用與解復(fù)用的實(shí)現(xiàn)
7.3.5基于查表法的高速控制方案
7.4Stokes參量測量與解碼
7.4.1Stokes參量的測量原理
7.4.2零差測量S2分量
7.4.3零差測量S3分量
7.5實(shí)驗(yàn)測量與誤差分析
7.5.1光強(qiáng)衰減方案
7.5.2隨機(jī)編碼實(shí)驗(yàn)
7.5.3系統(tǒng)噪聲分析
7.5.4RQNN輔助下的Stokes參量編碼實(shí)驗(yàn)
7.5.5誤碼率統(tǒng)計
參考文獻(xiàn)
第8章星鏈系統(tǒng)及其創(chuàng)新技術(shù)
8.1無線通信與衛(wèi)星通信
8.1.1無線通信原理
8.1.2衛(wèi)星通信
8.2星鏈系統(tǒng)概況
8.2.1星鏈計劃的建設(shè)情況
8.2.2星鏈衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)
8.2.3星鏈系統(tǒng)的特色
8.3星鏈網(wǎng)的空間結(jié)構(gòu)衛(wèi)星
8.3.1星鏈系統(tǒng)的空間構(gòu)架和網(wǎng)絡(luò)
8.3.2星座的設(shè)計理念
8.3.3衛(wèi)星
8.3.4自主規(guī)避碰撞系統(tǒng)
8.4獵鷹9號火箭
8.4.1“獵鷹9號”的設(shè)計思路
8.4.2“獵鷹9號”的組成結(jié)構(gòu)
8.5Kr離子推進(jìn)器
8.5.1離子推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)與基本工作原理
8.5.2離子推進(jìn)器的優(yōu)勢
8.6星間鏈路與激光通信
8.6.1星間鏈路的幾何特性
8.6.2星鏈系統(tǒng)的星間鏈路技術(shù)
8.6.3使用頻譜
8.7地面段用戶段和星鏈終端天線
8.7.1星鏈終端天線特性
8.7.2相控陣列平板天線結(jié)構(gòu)及其工作原理
8.7.3地面站的工作原理
8.8星鏈技術(shù)的危害和潛在威脅及其應(yīng)對措施
8.8.1帶來的危害
8.8.2潛在威脅
8.8.3應(yīng)對措施
8.8.4中國星網(wǎng)計劃
參考文獻(xiàn)
第9章量子計算與量子加密
9.1量子計算機(jī)
9.1.1量子力學(xué)的數(shù)學(xué)描述
9.1.2量子計算原理
9.2幾種量子算法
9.2.1量子傅里葉變換
9.2.2Shor算法
9.2.3量子搜索
9.3量子加密原理
9.3.1經(jīng)典加密的危機(jī)與量子加密的機(jī)遇
9.3.2量子加密的理論依據(jù)
9.4量子通信與量子加密
9.4.1量子密鑰分發(fā)
9.4.2量子加密技術(shù)
9.4.3量子簽名
9.5國內(nèi)量子計算和量子通信研究
9.5.1量子芯片與量子計算
9.5.2量子局域網(wǎng)
9.5.3遠(yuǎn)程量子通信
9.6量子通信的應(yīng)用案例
9.6.1量子通信在金融領(lǐng)域的應(yīng)用
9.6.2量子通信在政務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用
9.6.3量子通信在數(shù)據(jù)中心/云領(lǐng)域的應(yīng)用
9.6.4量子通信在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用
9.6.5量子通信在國家基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
附錄光的偏振
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