《現(xiàn)代光學(xué)的興起》PPT課件

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1、第十一章現(xiàn)代光學(xué)的興起§1.光學(xué)的發(fā)展§2.激光的發(fā)展§3.光子革命1§1、光學(xué)的發(fā)展1、幾何光學(xué)2、波動(dòng)光學(xué)3、量子光學(xué)4、現(xiàn)代光學(xué)2現(xiàn)代光學(xué)源于上世紀(jì)60年代初激光的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致大批光學(xué)方面的新成果，并由此派生出一系列光學(xué)領(lǐng)域的新分支，光學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的這種飛躍發(fā)展的根本原因，是激光的固有特征在傳輸過(guò)程中所引發(fā)的許多新的效應(yīng)和規(guī)律。1、大空間范圍（和光波波長(zhǎng)相比較）.干涉：相干光學(xué)、統(tǒng)計(jì)光學(xué)、薄膜光學(xué).衍射：傅里葉光學(xué)、衍射光學(xué)、二元光學(xué).偏振：晶體光學(xué)、偏振光學(xué).其他：矩陣光學(xué)、激光束光學(xué)、海洋光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)、組織光學(xué)2、小空間范圍（和光波波長(zhǎng)

2、相比較）導(dǎo)波光學(xué)、光纖光學(xué)、二元光學(xué)、微光學(xué)、近場(chǎng)光學(xué)3、大光能量（高光能密度）非線性光學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)4、非均勻介質(zhì)非均勻介質(zhì)光學(xué)、散射光學(xué)、組織光學(xué)3一.愛(ài)因斯坦提出的受激輻射的原理二.研制過(guò)程三.激光的優(yōu)點(diǎn)四.激光的應(yīng)用§2.激光的發(fā)展41916年，愛(ài)因斯坦提出，原子中處于高能級(jí)的電子，受外來(lái)光子的作用，當(dāng)外來(lái)光子的頻率與它的躍遷頻率一致時(shí)，原子中的電子就會(huì)從高能級(jí)跳到低能級(jí)，并發(fā)射一個(gè)光子，新光子與原光子頻率、發(fā)射方向、相位等都相同，這樣一個(gè)光子變成了兩個(gè)光子，條件合適的情況下，光子就會(huì)象雪崩一樣，得到加強(qiáng)和放大，這種放大的光稱為激光。激光的

3、發(fā)展一.愛(ài)因斯坦提出的受激輻射的原理51.1954年制成第一個(gè)微波量子放大器。2.1958年，美國(guó)的肖洛和湯斯發(fā)表“紅外區(qū)和光學(xué)激射器”，湯斯因此獲諾貝爾獎(jiǎng)。在研制過(guò)程中，湯斯設(shè)計(jì)諧振腔遇到很大困難，他去探望貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖洛妹夫，肖洛對(duì)光學(xué)中的法布里——珀洛干涉儀很有研究，突然聯(lián)想到是否可以類比用F—P儀的原理來(lái)做諧振腔，這樣產(chǎn)生激光的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題解決了。所以在物理研究中，借鑒和類比是我們探索之路。激光的發(fā)展二.研制過(guò)程6湯斯像肖洛像激光的發(fā)展73.1960年，第一臺(tái)紅寶石激光器由梅曼制成。1961年，湯斯的研究生加萬(wàn)制成了氦氖激光器。40多年前，愛(ài)因斯坦

4、的受激輻射概念，獲得實(shí)際應(yīng)用。激光的發(fā)展81.巨型脈沖固體激光器亮度比太陽(yáng)高上百億倍2.單色性好3.方向性好，相干性好，頻率高例的單色性很好，而激光激光束的發(fā)射角小于10-3弧度，光能量集中于很窄的光束中。激光的發(fā)展三.激光的優(yōu)點(diǎn)9電視機(jī)、錄像機(jī)的遙控器中就有紅外激光半導(dǎo)體發(fā)射器，VCD、CD也是靠激光二極管去讀取光盤(pán)信息。激光還可用于全息攝影。由于激光的單色性、方向性好，用作光通訊的載波很合適，用光纖傳播激光的光通訊已日益發(fā)展。激光在工業(yè)上，在農(nóng)業(yè)上、醫(yī)學(xué)上、軍事上的應(yīng)用很廣。現(xiàn)在人們正在研究開(kāi)發(fā)一種同步輻射光源，這種光源在某些性質(zhì)上已超過(guò)激光。激光的發(fā)展

5、四.激光的應(yīng)用10激光的發(fā)展激光通訊技術(shù)11激光的發(fā)展激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用12§3、光子革命光子革命是2009年夏季大連達(dá)沃斯論壇中提出的新概念，是指光子技術(shù)將在未來(lái)更為廣泛的應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活中。光子技術(shù)將成為影響能源、信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，成為主宰信息傳遞的決定力量。131、光子原稱呼為光量子（lightquantum），電磁輻射的量子，傳遞電磁相互作用的規(guī)范粒子，記為γ。其靜止量為零，不帶電荷，其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積，E=hv，在真空中以光速c運(yùn)行，其自旋為1，是玻色子。早在1900年，M.普朗克解釋黑體輻射能量分布時(shí)作出量子假設(shè)，物質(zhì)

6、振子與輻射之間的能量交換是不連續(xù)的，一份一份的，每一份的能量為hv；1905年A.愛(ài)因斯坦進(jìn)一步提出光波本身就不是連續(xù)的而具有粒子性，愛(ài)因斯坦稱之為光量子；1923年A.H.康普頓成功地用光量子概念解釋了X光被物質(zhì)散射時(shí)波長(zhǎng)變化的康普頓效應(yīng)，從而光量子概念被廣泛接受和應(yīng)用，1926年正式命名為光子。量子電動(dòng)力學(xué)確立后，確認(rèn)光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過(guò)發(fā)射或吸收光子而相互作用，正反帶電粒子對(duì)可湮沒(méi)轉(zhuǎn)化為光子，它們也可以在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生。14光子從激光的相干光束中出射光子是光線中攜帶能量的粒子。一個(gè)光子能量的多少與波長(zhǎng)相關(guān),波長(zhǎng)越短,能量越高。當(dāng)

7、一個(gè)光子被分子吸收時(shí),就有一個(gè)電子獲得足夠的能量從而從內(nèi)軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態(tài)變成了激發(fā)態(tài)。光子具有能量，也具有動(dòng)量，更具有質(zhì)量，按照質(zhì)能方程，E=MC2=hv,求出M=hv/C2,光子由于無(wú)法靜止，所以它沒(méi)有靜止質(zhì)量，這兒的質(zhì)量是光子的相對(duì)論質(zhì)量。光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規(guī)范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場(chǎng)論中光子被認(rèn)為是電磁相互作用的媒介子。與大多數(shù)基本粒子相比，光子的靜止質(zhì)量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現(xiàn)出經(jīng)典波的折射、干涉、衍射等性質(zhì)；而光子的粒

8、子性則表現(xiàn)為和物質(zhì)相互作用時(shí)不像經(jīng)典的粒子那樣可以傳