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1、现代现代(xindi)光学的兴起光学的兴起第一页，共25页。2 2 现代现代(xindi)(xindi)光学源于上世纪光学源于上世纪6060年代初激年代初激光的出现，从而导致大批光学方面的新成果，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的固有特征在传输过程中所引发的许多新的效应和规律。应和规律。1 1、大空间范围（和光波波长相比较）、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
2、学干涉：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、组织光学气光学、生理光学、组织光学2 2、小空间范围（和光波波长相比较）、小空间范围（和光波波长相比较）导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、近导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、近场光学场光学3 3、大光能量（高光能密度）、大光能量（高光能密度）非线性光学、强光光学、自适应光学非线性光学、强光光学、自适应光学4 4、非均匀介质、非均匀
3、介质非均匀介质光学、散射光学、组织光学非均匀介质光学、散射光学、组织光学第1页/共25页第二页，共25页。3 3一一.爱因斯坦提出的受激辐射爱因斯坦提出的受激辐射(fsh)的的原理原理二二.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.激光激光(jgung)的发展的发展第2页/共25页第三页，共25页。4 419161916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能
4、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(lin(lin)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一一样样，得得到到加加强强和和放放大大，这这种种放放大大的的光光称为激光。称为激光。激激 光光 的的 发发 展展一一一一.爱因斯坦提出爱因斯坦提出爱因斯坦提出爱因斯坦提出(t ch)(t ch)的受激辐射的的受激辐射的的受激辐射的的受激辐射的原理原理原理原理第3页/共25页第四页，共25页。5 51.1954年制成第一个微波年制成第一个微波(w
5、ib)量子放大器。量子放大器。2.1958年年，美美国国(mi u)的的肖肖洛洛和和汤汤斯斯发发表表“红红外外区区和光学激射器和光学激射器”，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(lib)(lib)用用FPFP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
6、理研究中，借鉴和类比理研究中，借鉴和类比(lib)(lib)是我们探索之路。是我们探索之路。激激 光光 的的 发发 展展二二二二.研制过程研制过程研制过程研制过程第4页/共25页第五页，共25页。6 6汤斯像汤斯像肖洛像肖洛像激激 光光 的的 发发 展展第5页/共25页第六页，共25页。7 73.3.19601960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射概念(ginin)(ginin)，获得实际应用。，获得实际应用。激激
7、 光光 的的 发发 展展第6页/共25页第七页，共25页。8 81.巨型脉冲固体巨型脉冲固体(gt)激光器亮度比太阳高上百亿激光器亮度比太阳高上百亿倍倍2.2.单色性好单色性好3.3.方向性好，相干性好，频率方向性好，相干性好，频率(pnl)(pnl)高高例例 的单色性很好，的单色性很好，而激光而激光激激光光束束的的发发射射(fsh)(fsh)角角小小于于10-310-3弧弧度度，光光能能量集中于很窄的光束中。量集中于很窄的光束中。激激 光光 的的 发发 展展三三三三.激光的优点激光的优点激光的优点激光的优点第7页/共25页第八页，共25页。9 9电电视视机机、录录像像机机的的遥遥控控器器中中
8、就就有有红红外外激激光光(jgung)(jgung)半半 导导 体体 发发 射射 器器，VCDVCD、CDCD也也 是是 靠靠 激激 光光(jgung)(jgung)二二极极管管去去读读取取光光盘盘信信息息。激激光光(jgung)(jgung)还还可可用用于于全全息息摄摄影影。由由于于激激光光(jgung)(jgung)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光激光(jgung)(jgung)的光通讯已日益发展。的光通讯已日益发展。激激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(jnsh)(jnsh)上的应用很
9、广。上的应用很广。现现在在人人们们正正在在研研究究开开发发(kif)(kif)一一种种同同步步辐辐射射光光源，这种光源在某些性质上已超过激光。源，这种光源在某些性质上已超过激光。激激 光光 的的 发发 展展四四四四.激光的应用激光的应用激光的应用激光的应用第8页/共25页第九页，共25页。1010激激 光光 的的 发发 展展激激光光(jgung)通通讯讯技技术术第9页/共25页第十页，共25页。1111激激 光光 的的 发发 展展激激光光(jgung)技技术术在在农农业业上上的的应应用用第10页/共25页第十一页，共25页。12123、光子、光子(gungz)革命革命 光子革命是光子革命是20
10、092009年夏季大连达沃斯论坛中提出年夏季大连达沃斯论坛中提出(t ch)(t ch)的的新概念，是指光子技术将在未来更为广泛的应用于社会生新概念，是指光子技术将在未来更为广泛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。术，成为主宰信息传递的决定力量。第11页/共25页第十二页，共25页。1313 1 1、光子、光子 原称呼为光量子（原称呼为光量子（light quantumlight quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规
11、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，。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=hvE=hv，在真空，在真空中以光速中以光速c c运行，其自旋为运行，其自旋为1 1，是玻色子。早在，是玻色子。早在19001900年，年，M.M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作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hvhv；19051905年年A.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
12、，爱因斯坦称之为光量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；子；19231923年年A.H.A.H.康普顿成功地用光量子概念康普顿成功地用光量子概念(ginin)(ginin)解释了解释了X X光被物质散射时波长变化的康光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念普顿效应，从而光量子概念(ginin)(ginin)被广泛接受和应用，被广泛接受和应用，19261926年正式命名为光子。量子电年正式命名为光子。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
13、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。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。第12页/共25页第十三页，共25页。1414光光子子从从激激光光的的相相干干光光束束中中出出射射光光子子是是光光线线中中携携带带能能量量的的粒粒子子。一一个个光光子子能能量量的的多多少少与与波波长长相相关关,波波长长越越短短,能能量量越越高高。当当一一个个光光子子被被分分子子吸吸收收时时,就就有有一一个个电电子子获获得得足足够够的的能能量量从从而而从从内内轨轨道道跃跃迁迁(yuqin)(yuqin)到到外外轨轨道道,具具有有电电子子跃跃迁迁(
14、yuqin)(yuqin)的分子就从基态变成了激发态。的分子就从基态变成了激发态。光光子子具具有有能能量量，也也具具有有动动量量，更更具具有有质质量量，按按照照质质能能方方程程，E=MC2=hv,E=MC2=hv,求求出出M=hv/C2,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。光光子子是是传传递递电电磁磁相相互互作作用用的的基基本本粒粒子子，是是一一种种规规范范玻玻色色子子。光光子子是是电电磁磁辐辐射射的的载载体体，而而在在量量子子场场论论中中光光子子被被认认为为是是电电磁磁相相互互
15、作作用用的的媒媒介介子子。与与大大多多数数基基本本粒粒子子相相比比，光光子子的的静静止止质质量量为为零零，这这意意味味着着其其在在真真空空中中的的传传播播速速度度是是光光速速。与与其其他他量量子子一一样样，光光子子具具有有波波粒粒二二象象性性：光光子子能能够够表表现现出出经经典典波波的的折折射射、干干涉涉、衍衍射射等等性性质质；而而光光子子的的粒粒子子性性则则表表现现为为和和物物质质相相互互作作用用时时不不像像经经典典的的粒粒子子那那样样可可以以传传递递任任意意值值的的能能量量，光光子子只只能能传传递递量量子子化化的的能能量量。对对可可见见光光而而言言，单单个个光光子子携携带带的的能能量量约约
16、为为410-19410-19焦焦耳耳，这这样样大大小小的的能能量量足足以以激激发发起起眼眼睛睛上上感感光光细细胞胞的的一一个个分分子子，从从而而引引起起视视觉觉。除除能能量量以以外外，光光子子还还具具有有动动量量和和偏偏振振态态，但但单单个个光光子没有确定的动量或偏振态。子没有确定的动量或偏振态。第13页/共25页第十四页，共25页。15152 2、光子学、光子学 19701970年年，在在第第九九届届国国际际高高速速摄摄影影会会议议上上，荷荷兰兰科科学学家家PoldervaartPoldervaart首首次次提提出出关关于于光光子子学学的的定定义义规规范范，他他认认为为，光光子学是子学是“研
17、究以光子为信息载体的科学研究以光子为信息载体的科学”。其其后后，相相继继出出现现不不少少类类似似的的定定义义。例例如如，法法国国颇颇有有影影响响的的DGRSTDGRST组组织织提提出出：激激光光二二极极管管的的问问世世，使使光光子子替替代代了了电电子子成成 为为 信信 息息 的的 载载 体体，从从 而而 促促 成成 了了 光光 子子 学学 的的 形形 成成。世世 界界(shji)(shji)著著名名的的美美国国SPECTRASPECTRA杂杂志志，也也于于19821982年年率率先先更更名名为为PHOTONICSspectraPHOTONICSspectra，并并提提出出光光子子学学是是“研研
18、究究发发生生与与利利用用以以光光子子为为量量化化单单位位的的光光，或或其其他他辐辐射射形形式式的的科科学学”，并并认认为为，“光光子子学学的的应应用用范范围围从从能能量量的的发发生生到到通通信信与与信信息息处处理理”。贝贝尔尔实实验验室室著著名名的的RossRoss教教授授为为光光子子学学作作了了一一个个颇颇为为广广义义的的定定义义，他他认认为为，可可与与电电子子学学类类比比，“电电子子学学是是关关于于电电子子的的科科学学”，光光子子学学则则应应是是“关关于于光光子子的的科科学学”。第14页/共25页第十五页，共25页。1616 在我国，老一辈科学家龚祖同、钱学森等早在我国，老一辈科学家龚祖同
19、、钱学森等早在在7070年代末就发出呼吁，希望积极开展光子学年代末就发出呼吁，希望积极开展光子学的学科建设。钱教授提出，的学科建设。钱教授提出，“光子学是与电子光子学是与电子学平行的科学学平行的科学”，他还首次提出了，他还首次提出了“光子学光子学光子技术光子技术光子工业光子工业”的关于光子学的发展模的关于光子学的发展模式。鉴于上述情况，式。鉴于上述情况，19941994年我国一些科学家聚年我国一些科学家聚会会(jhu)(jhu)于北京，在香山科学会议上，对光于北京，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
20、、内涵及研究面取得了共识。关于光子学定义、内涵及研究范围，较为一致的见解是：光子学是研究作为范围，较为一致的见解是：光子学是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。第15页/共25页第十六页，共25页。1717 广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。在理论在理论上，它主要研究光子的量子特性上，它主要研究光子的量子特性(txng)(txng)及其在与物质及其在与物质(包包括与分子、原子、电子以及与光子自身括与分子、原子、电子以及与光子自身)的相互作用中出现的相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面，
21、它的研究内容主要包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，如光子发生技术系列的光子技术，如光子发生技术(激光技术激光技术)、光子传输、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
22、技术科学性质的学科。在这个意义上讲，光子学是一门更具技术科学性质的学科。第16页/共25页第十七页，共25页。18183 3、光子学的应用研究领域。、光子学的应用研究领域。（1 1）信息科学）信息科学 -光子学与信息科学的交叉已经形成光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学科一门新兴的学科信息光子学信息光子学(INFOPHOTONICS)(INFOPHOTONICS)-目前，信息的探测、传输目前，信息的探测、传输(chun(chun sh)sh)、存储、显示、运算和处理已由光子和、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参于来完成，所形成的光电子学电子共同参于来完成，所形成的光电子学（opt
23、oelectronicsoptoelectronics）技术已应用在信息领域）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到光电子学和光子学，其末来属于光子学领域。域。第17页/共25页第十八页，共25页。1919（2 2）生物或生命科学）生物或生命科学 -在世纪，所有的科学技术都将环绕人与人在世纪，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面。光在自然界一直与人类亲密相伴(xin bn)(xin bn)，地球上
24、若没有光也就没有生命，光与生命早已结下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，近年来生不解之缘。由于激光与光子技术的介入，近年来生物医学光学与光子学骤然兴起，令人瞩目，并因而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引发出一门新兴的学科生物医学光子学生物医学光子学(BIO-(BIO-MEDOPHOTONICS)MEDOPHOTONICS)。生物医学光子学就是用光子来。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、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相互渗透而产生的边缘学科
25、。第18页/共25页第十九页，共25页。2020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(zhngd)的光存储技术。（4）代替现行通信方式的光通信。（5）全息光技术第19页/共25页第二十页，共25页。2121全息全息全息全息(qunx)(qunx)技术的典型代表技术的典型代表技术的典型代表技术的典型代表全息全息全息全息(qunx)(qunx)照相照相照相照相波前记录波前记录(jl)(jl)用干涉法记录用干涉法记录(jl)(jl)物光波物光波波前再现波前再现 用衍射用衍射(ynsh)法再现物光波法再现物
26、光波第20页/共25页第二十一页，共25页。2222什么是全息术？什么是全息术？什么是全息术？什么是全息术？全息术（全息术（全息术（全息术（holographyholographyholographyholography）是利用光的干涉和衍射原理，将携）是利用光的干涉和衍射原理，将携）是利用光的干涉和衍射原理，将携）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，并且在一带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一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。由于定的条件下使
27、其再现，形成原物体逼真的立体象。由于定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于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，包括振幅记录了物体的全部信息，包括振幅记录了物体的全部信息，包括振幅记录了物体的全部信息，包括振幅(zhnf)(zhnf)(zhnf)(zhnf)和相位因此称和相位因此称和相位因此称和相位因此称为全息术。为全息术。为全息术。为全息术。第21页/共25页第二十二页，共25页。2323全息发展简史全息发展简史全息发展简史全息发展简史 1948 1948年年年年 Dennis Gabor Dennis Gabor 提出提出提出提出 “波前重现波前重
28、现波前重现波前重现”理理理理论论论论 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 光源光源光源光源(gungyun)(gungyun)：汞灯：汞灯：汞灯：汞灯 效果：因光源效果：因光源效果：因光源效果：因光源(gungyun)(gungyun)相干性差，效相干性差，效相干性差，效相干性差，效果很不明显果很不明显果很不明显果很不明显 1960 1960年年年年 激光器激光器激光器激光器 问世，问世，问世，问世，提供提供提供提供 理想的相干光源理想的相干光源理想的相干光源理想的相干光源(gungyun)(gungyun)为全息技
29、术的发展创造了条件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为全息技术的发展创造了条件 1962 1962年年年年 离轴全息图问世离轴全息图问世离轴全息图问世离轴全息图问世 E.N.Leith E.N.Leith和和和和J.Upatnieks J.Upatnieks 提出提出提出提出“斜参考光法斜参考光法斜参考光法斜参考光法”,”,加速了全息术的发加速了全息术的发加速了全息术的发加速了全息术的发展展展展 1962 1962年年年年 U.Denisyuk U.Denisyuk 提出反射全息图的方法；提出反射全息图的方法；提出反射全息图的方法；提出反射全息图的方法；第22页/共25页第二
30、十三页，共25页。24241964196419641964年年年年 Ar+Laser Ar+Laser Ar+Laser Ar+Laser 问世问世问世问世 布里奇斯布里奇斯布里奇斯布里奇斯 氩离子激光器提供了短波长连续可见光，扩展氩离子激光器提供了短波长连续可见光，扩展氩离子激光器提供了短波长连续可见光，扩展氩离子激光器提供了短波长连续可见光，扩展 了全息技术了全息技术了全息技术了全息技术 的应用范围的应用范围的应用范围的应用范围 1965 1965 1965 1965年年年年 R.L.R.L.R.L.R.L.鲍威尔，鲍威尔，鲍威尔，鲍威尔，K.A.K.A.K.A.K.A.斯特特森斯特特森斯
31、特特森斯特特森 提出全息干涉术；提出全息干涉术；提出全息干涉术；提出全息干涉术；1968 1968 1968 1968年年年年 S.A.S.A.S.A.S.A.本顿本顿本顿本顿 发明彩虹全息术（白光全息术）；发明彩虹全息术（白光全息术）；发明彩虹全息术（白光全息术）；发明彩虹全息术（白光全息术）；.40404040多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、艺术多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、艺术多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、艺术多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、艺术(ysh)(ysh)(ysh)(ysh)等领域几等领域几等领域几等领
32、域几乎无所不及。乎无所不及。乎无所不及。乎无所不及。第23页/共25页第二十四页，共25页。2525(3)(3)、光子学的现状与未来、光子学的现状与未来 目前的目前的“光子学光子学”与与“电子学电子学”并驾齐驱，将来光子产并驾齐驱，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。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，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
33、最大的薄弱点。而恰恰在这方面电子学显示出优势这是其最大的薄弱点。而恰恰在这方面电子学显示出优势(yush)(yush)。对于电子无论是在理论上，还是在实际应用上。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。都已相当成熟。电子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。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。发展。第24页/共25页第二十五页，共25页。