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1、第十一章现代光学的兴起1第一页，本课件共有26页1、光学的发展1、几何光学2、波动光学3、量子光学4、现代光学2第二页，本课件共有26页 现代光学源于上世纪60年代初激光的出现，从而导致大批光学方面的新成果，并由此派生出一系列光学领域的新分支，光学领域出现的这种飞跃发展的根本原因，是激光的固有特征在传输过程中所引发的许多新的效应和规律。1、大空间范围（和光波波长相比较）.干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学.衍射：傅里叶光学、衍射光学、二元光学.偏振：晶体光学、偏振光学.其他：矩阵光学、激光束光学、海洋光学、大气光学、生理光学、组织光学2、小空间范围（和光波波长相比较）导波光学、光纤光学、二元光
2、学、微光学、近场光学3、大光能量（高光能密度）非线性光学、强光光学、自适应光学4、非均匀介质非均匀介质光学、散射光学、组织光学3第三页，本课件共有26页一一.爱因斯坦提出的受激辐射的原理爱因斯坦提出的受激辐射的原理二二.研制过程研制过程三三.激光的优点激光的优点四四.激光的应用激光的应用2.激光的发展激光的发展4第四页，本课件共有26页19161916年年，爱爱因因斯斯坦坦提提出出，原原子子中中处处于于高高能能级级的的电电子子，受受外外来来光光子子的的作作用用，当当外外来来光光子子的的频频率率与与它它的的跃跃迁迁频频率率一一致致时时，原原子子中中的的电电子子就就会会从从高高能能级级跳跳到到低低
3、能能级级，并并发发射射一一个个光光子子，新新光光子子与与原原光光子子频频率率、发发射射方方向向、相相位位等等都都相相同同，这这样样一一个个光光子子变变成成了了两两个个光光子子，条条件件合合适适的的情情况况下下，光光子子就就会会象象雪雪崩崩一样，得到加强和放大，这种放大的光称为激光。一样，得到加强和放大，这种放大的光称为激光。激激 光光 的的 发发 展展一一.爱因斯坦提出的受激辐射的原理爱因斯坦提出的受激辐射的原理5第五页，本课件共有26页1.1954年制成第一个微波量子放大器。年制成第一个微波量子放大器。2.1958年年，美美国国的的肖肖洛洛和和汤汤斯斯发发表表“红红外外区区和和光光学学激射器
4、激射器”，汤斯因此获诺贝尔奖。，汤斯因此获诺贝尔奖。在在研研制制过过程程中中，汤汤斯斯设设计计谐谐振振腔腔遇遇到到很很大大困困难难，他他去去探探望望贝贝尔尔实实验验室室的的肖肖洛洛妹妹夫夫，肖肖洛洛对对光光学学中中的的法法布布里里珀珀洛洛干干涉涉仪仪很很有有研研究究，突突然然联联想想到到是是否否可可以以类类比比用用F FP P仪仪的的原原理理来来做做谐谐振振腔腔，这这样样产产生生激激光光的的一一个个关关键键性性问问题题解解决决了了。所所以以在在物物理理研研究究中中，借鉴和类比是我们探索之路。借鉴和类比是我们探索之路。激激 光光 的的 发发 展展二二.研制过程研制过程6第六页，本课件共有26页汤
5、斯像汤斯像肖洛像肖洛像激激 光光 的的 发发 展展7第七页，本课件共有26页3.3.19601960年年，第第一一台台红红宝宝石石激激光光器器由由梅梅曼曼制制成成。19611961年年，汤汤斯斯的的研研究究生生加加万万制制成成了了氦氦氖氖激激光光器器。4040多多年年前前，爱爱因因斯斯坦坦的的受受激激辐辐射概念，获得实际应用。射概念，获得实际应用。激激 光光 的的 发发 展展8第八页，本课件共有26页1.巨型脉冲固体激光器巨型脉冲固体激光器亮度亮度比太阳高上百亿倍比太阳高上百亿倍2.2.单色性好单色性好3.3.方向性好，相干性好，频率高方向性好，相干性好，频率高例例 的单色性很好，的单色性很好
6、，而激光而激光激激光光束束的的发发射射角角小小于于1010-3-3弧弧度度，光光能能量量集集中中于于很很窄的光束中。窄的光束中。激激 光光 的的 发发 展展三三.激光的优点激光的优点9第九页，本课件共有26页电电视视机机、录录像像机机的的遥遥控控器器中中就就有有红红外外激激光光半半导导体体发发射射器器，VCDVCD、CDCD也也是是靠靠激激光光二二极极管管去去读读取取光光盘盘信信息息。激激光光还还可可用用于于全全息息摄摄影影。由由于于激激光光的的单单色色性性、方方向向性性好好，用用作作光光通通讯讯的的载载波波很很合合适适，用用光光纤纤传传播播激激光光的的光光通讯已日益发展。通讯已日益发展。激激
7、光光在在工工业业上上，在在农农业业上上、医医学学上上、军军事事上上的的应用很广。应用很广。现现在在人人们们正正在在研研究究开开发发一一种种同同步步辐辐射射光光源源，这这种种光源在某些性质上已超过激光。光源在某些性质上已超过激光。激激 光光 的的 发发 展展四四.激光的应用激光的应用10第十页，本课件共有26页激激 光光 的的 发发 展展激激光光通通讯讯技技术术11第十一页，本课件共有26页激激 光光 的的 发发 展展激激光光技技术术在在农农业业上上的的应应用用12第十二页，本课件共有26页3、光子革命、光子革命 光子革命是2009年夏季大连达沃斯论坛中提出的新概念，是指光子技术将在未来更为广泛
8、的应用于社会生产生活中。光子技术将成为影响能源、信息产业的核心技术，成为主宰信息传递的决定力量。13第十三页，本课件共有26页 1 1、光子、光子 原称呼为光量子（light quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为。其静止量为零，不带电荷，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，E=hv，在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。早在1900年，M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hv；1905年A.爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H
9、.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。量子电动力学确立后，确认光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。带电粒子通过发射或吸收光子而相互作用，正反带电粒子对可湮没转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。14第十四页，本课件共有26页光子从激光的相干光束中出射光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少与波长相关,波长越短,能量越高。当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分子就从基态变成了激发态。光子具有能量，也具有动量，更具有质量，按照质能方程，E=MC2=hv
10、,求出M=hv/C2,光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量。光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为410-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量
11、以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。15第十五页，本课件共有26页2、光子学 1970年，在第九届国际高速摄影会议上，荷兰科学家Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他认为，光子学是“研究以光子为信息载体的科学”。其后，相继出现不少类似的定义。例如，法国颇有影响的DGRST组织提出：激光二极管的问世，使光子替代了电子成为信息的载体，从而促成了光子学的形成。世界著名的美国SPECTRA杂志，也于1982年率先更名为PHOTONICSspectra，并提出光子学是“研究发生与利用以光子为量化单位的光，或其他辐射形式的科学”，并认为，“光子学的应用范围从能量
12、的发生到通信与信息处理”。贝尔实验室著名的Ross教授为光子学作了一个颇为广义的定义，他认为，可与电子学类比，“电子学是关于电子的科学”，光子学则应是“关于光子的科学”。16第十六页，本课件共有26页 在我国，老一辈科学家龚祖同、钱学森等早在70年代末就发出呼吁，希望积极开展光子学的学科建设。钱教授提出，“光子学是与电子学平行的科学”，他还首次提出了“光子学光子技术光子工业”的关于光子学的发展模式。鉴于上述情况，1994年我国一些科学家聚会于北京，在香山科学会议上，对光子学的有关问题展开了热烈讨论，并在诸多方面取得了共识。关于光子学定义、内涵及研究范围，较为一致的见解是：光子学是研究作为信息和
13、能量载体的光子行为及其应用的科学。17第十七页，本课件共有26页 广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。在理论上，它主要研究光子的量子特性及其在与物质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测规律等。实际上，光子学是一个具有极强应用背景的学科，并由此而形成了一系列的光子技术，如光子发生技术(激光技术)、光子传输技术、光子调制与开关技术、光子存储技术、光子探测技术、光子显示技术等等。光子技术的基础是光子学。因此在这个意义上讲，光子学是一门更具技术科学性质的学科。18第十八页，本课件共有26页3、光
14、子学的应用研究领域。（1）信息科学 -光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学科信息光子学(INFOPHOTONICS)-目前，信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参于来完成，所形成的光电子学（optoelectronics）技术已应用在信息领域 -通信和计算机研究与发展从电子学到光电子学和光子学，其末来属于光子学领域。19第十九页，本课件共有26页（2）生物或生命科学 -在世纪，所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻找自己的有意义的生长点与发展面。光在自然界一直与人类亲密相伴，地球上若没有光也就没有生命，光与生命早已结下不解之缘。由于激光与光子技术的介入，近年来
15、生物医学光学与光子学骤然兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科生物医学光子学(BIO-MEDOPHOTONICS)。生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生的边缘学科。20第二十页，本课件共有26页前已研究开发和正在开发的光子技术主要领域有：（1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。（2）运算速度更快的光子计算机。（3）存储重大的光存储技术。（4）代替现行通信方式的光通信。（5）全息光技术21第二十一页，本课件共有26页全息技术的典型代表全息技术的典型代表全息照相全息照相波前记录波前记录 用用干涉法干涉法记录物光波记录物光波波前再现波前再现 用
16、衍射法再现物光波用衍射法再现物光波22第二十二页，本课件共有26页什么是全息术？什么是全息术？全息术（holography）是利用光的干涉和衍射原理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术。23第二十三页，本课件共有26页全息发展简史全息发展简史 19481948年年 Dennis GaborDennis Gabor 提出提出 “波前重现波前重现”理论理论 目的：改善电子显微镜的分辨率目的：改善电子显微镜的分辨率 光源：汞灯光源：汞灯 效果：因光源相干性差，效果很不明显效果：因光源相
17、干性差，效果很不明显 19601960年年 激光器激光器 问世，问世，提供提供 理想的相干光源理想的相干光源 为全息技术的发展创造了条件为全息技术的发展创造了条件 19621962年年 离轴全息图离轴全息图问世问世 E.N.LeithE.N.Leith和J.UpatnieksJ.Upatnieks 提出“斜参考光法斜参考光法”,加速了全息术的发展 19621962年年 U.Denisyuk U.Denisyuk 提出反射全息图的方法；24第二十四页，本课件共有26页19641964年年 ArAr+Laser Laser 问世问世 布里奇斯布里奇斯 氩离子激光器氩离子激光器提供了短波长连续可见光
18、，提供了短波长连续可见光，扩展扩展 了全息技术了全息技术 的应用范围的应用范围 19651965年年 R.L.R.L.鲍威尔鲍威尔，K.A.K.A.斯特特森斯特特森 提出全息干涉术；19681968年年 S.A.S.A.本顿本顿 发明彩虹全息术（白光全息术）；.4040多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、艺术等领域几乎多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、艺术等领域几乎无所不及。无所不及。25第二十五页，本课件共有26页(3)、光子学的现状与未来 目前的“光子学”与“电子学”并驾齐驱，将来光子产业的总产值将超过电子产业，光纤通信将是未来的最大产业；目前光通信的发展目标是实现全光通信和全光网，关键技术是解决全光交换问题。但是必须承认，对于光子人们在认识和利用上还不成熟，这是其最大的薄弱点。而恰恰在这方面电子学显示出优势。对于电子无论是在理论上，还是在实际应用上都已相当成熟。电子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。因此，利用光子学的优越性与电子学的成熟性相结合，可创造出一系列新的奇迹。在这个意义上讲，光子与电子是一对孪生的天然伙伴，光子学将受益于电子学而不断获得发展。26第二十六页，本课件共有26页