第十一章現(xiàn)代光學(xué)的興起

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2004-12-81山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院§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)2004-12-82山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院

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)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)2004-12-83山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院一.愛因斯坦提出的受激輻射的原理二.研制過程三.激光的優(yōu)點(diǎn)四.激光的應(yīng)用§2.激光的發(fā)展2004-12-84山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院1916年，愛因斯坦提出，原子中處于高能級(jí)的電子，受外來光子的作用，當(dāng)外來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。激光的發(fā)展一.愛因斯坦提出的受激輻射的原理2004-12-85山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院1.1954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儀的原理來做諧振腔，這樣產(chǎn)生激光的一個(gè)關(guān)鍵性問題解決了。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.研制過程2004-12-86山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院湯斯像肖洛像激光的發(fā)展2004-12-87山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院3.1960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，愛因斯坦的受激輻射概念，獲得實(shí)際應(yīng)用。激光的發(fā)展2004-12-88山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院1.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)2004-12-89山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院電視機(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?，F(xiàn)在人們正在研究開發(fā)一種同步輻射光源，這種光源在某些性質(zhì)上已超過激光。激光的發(fā)展四.激光的應(yīng)用2004-12-810山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院激光的發(fā)展激光通訊技術(shù)2004-12-811山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院激光的發(fā)展激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用2004-12-812山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院§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。2004-12-813山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院

1、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)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。帶電粒子通過發(fā)射或吸收光子而相互作用，正反帶電粒子對(duì)可湮沒轉(zhuǎn)化為光子，它們也可以在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生。2004-12-814山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院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)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,光子由于無法靜止，所以它沒有靜止質(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遞任意值的能量，光子只能傳遞量子化的能量。對(duì)可見光而言，單個(gè)光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳，這樣大小的能量足以激發(fā)起眼睛上感光細(xì)胞的一個(gè)分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動(dòng)量和偏振態(tài)，但單個(gè)光子沒有確定的動(dòng)量或偏振態(tài)。2004-12-815山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院2、光子學(xué)1970年，在第九屆國(guó)際高速攝影會(huì)議上，荷蘭科學(xué)家Poldervaart首次提出關(guān)于光子學(xué)的定義規(guī)范，他認(rèn)為，光子學(xué)是“研究以光子為信息載體的科學(xué)”。其后，相繼出現(xiàn)不少類似的定義。例如，法國(guó)頗有影響的DGRST組織提出：激光二極管的問世，使光子替代了電子成為信息的載體，從而促成了光子學(xué)的形成。世界著名的美國(guó)《SPECTRA》雜志，也于1982年率先更名為《PHOTONICS—spectra》，并提出光子學(xué)是“研究發(fā)生與利用以光子為量化單位的光，或其他輻射形式的科學(xué)”，并認(rèn)為，“光子學(xué)的應(yīng)用范圍從能量的發(fā)生到通信與信息處理”。貝爾實(shí)驗(yàn)室著名的Ross教授為光子學(xué)作了一個(gè)頗為廣義的定義，他認(rèn)為，可與電子學(xué)類比，“電子學(xué)是關(guān)于電子的科學(xué)”，光子學(xué)則應(yīng)是“關(guān)于光子的科學(xué)”。2004-12-816山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院

在我國(guó)，老一輩科學(xué)家龔祖同、錢學(xué)森等早在70年代末就發(fā)出呼吁，希望積極開展光子學(xué)的學(xué)科建設(shè)。錢教授提出，“光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)”，他還首次提出了“光子學(xué)—光子技術(shù)—光子工業(yè)”的關(guān)于光子學(xué)的發(fā)展模式。鑒于上述情況，1994年我國(guó)一些科學(xué)家聚會(huì)于北京，在香山科學(xué)會(huì)議上，，對(duì)光子學(xué)的有關(guān)問題展開了熱烈討論，并在諸多方面取得了共識(shí)。關(guān)于光子學(xué)定義、內(nèi)涵及研究范圍，較為一致的見解是：光子學(xué)是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應(yīng)用的科學(xué)。2004-12-817山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院廣義地講，光子學(xué)是關(guān)于光子及其應(yīng)用的科學(xué)。在理論上，它主要研究光子的量子特性及其在與物質(zhì)(包括與分子、原子、電子以及與光子自身)的相互作用中出現(xiàn)的各類效應(yīng)及其規(guī)律；在應(yīng)用方面，它的研究?jī)?nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測(cè)規(guī)律等。實(shí)際上，光子學(xué)是一個(gè)具有極強(qiáng)應(yīng)用背景的學(xué)科，并由此而形成了一系列的光子技術(shù)，如光子發(fā)生技術(shù)(激光技術(shù))、光子傳輸技術(shù)、光子調(diào)制與開關(guān)技術(shù)、光子存儲(chǔ)技術(shù)、光子探測(cè)技術(shù)、光子顯示技術(shù)等等。光子技術(shù)的基礎(chǔ)是光子學(xué)。因此在這個(gè)意義上講，光子學(xué)是一門更具技術(shù)科學(xué)性質(zhì)的學(xué)科。2004-12-818山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院3、光子學(xué)的應(yīng)用研究領(lǐng)域。（1）信息科學(xué)---光子學(xué)與信息科學(xué)的交叉已經(jīng)形成一門新興的學(xué)科—信息光子學(xué)(INFOPHOTONICS)

---目前，信息的探測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、運(yùn)算和處理已由光子和電子共同參于來完成，所形成的光電子學(xué)（optoelectronics）技術(shù)已應(yīng)用在信息領(lǐng)域

---通信和計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展從電子學(xué)到光電子學(xué)和光子學(xué)，其末來屬于光子學(xué)領(lǐng)域。

2004-12-819山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院（2）生物或生命科學(xué)

---在２１世紀(jì)，所有的科學(xué)技術(shù)都將環(huán)繞人與人類的發(fā)展問題，尋找自己的有意義的生長(zhǎng)點(diǎn)與發(fā)展面。光在自然界一直與人類親密相伴，地球上若沒有光也就沒有生命，光與生命早已結(jié)下不解之緣。由于激光與光子技術(shù)的介入，近年來生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)驟然興起，令人矚目，并因而引發(fā)出一門新興的學(xué)科—生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(BIO-MEDOPHOTONICS)。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)就是用光子來研究生命的科學(xué)，它是光子學(xué)和生命科學(xué)相互交叉、相互滲透而產(chǎn)生的邊緣學(xué)科。2004-12-820山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院前已研究開發(fā)和正在開發(fā)的光子技術(shù)主要領(lǐng)域有：（1）作為光子發(fā)生與控制的激光技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。（2）運(yùn)算速度更快的光子計(jì)算機(jī)。（3）存儲(chǔ)重大的光存儲(chǔ)技術(shù)。（4）代替現(xiàn)行通信方式的光通信。（5）全息光技術(shù)2004-12-821山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院全息技術(shù)的典型代表—全息照相波前記錄—用干涉法記錄物光波波前再現(xiàn)—用衍射法再現(xiàn)物光波2004-12-822山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院什么是全息術(shù)？全息術(shù)（holography）是利用光的干涉和衍射原理，將攜帶物質(zhì)信息的光波以干涉圖的形式記錄下來，并且在一定的條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的立體象。由于記錄了物體的全部信息，包括振幅和相位因此稱為全息術(shù)。2004-12-823山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院全息發(fā)展簡(jiǎn)史

1948年

DennisGabor提出“波前重現(xiàn)”理論目的：改善電子顯微鏡的分辨率光源：汞燈效果：因光源相干性差，效果很不明顯

1960年

激光器

問世，提供理想的相干光源

為全息技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件

1962年

離軸全息圖問世——E.N.Leith和J.Upatnieks

提出“斜參考光法”,

加速了全息術(shù)的發(fā)展

1962年U.Denisyuk提出反射全息圖的方法；2004-12-824山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院1964年

Ar+Laser

問世——布里奇斯

氬離子激光器提供了短波長(zhǎng)連續(xù)可見光，擴(kuò)展了全息技術(shù)的應(yīng)用范圍

1965年R.L.鮑威爾，K.A.斯特特森提出全息干涉術(shù)；

1968年S.A.本頓發(fā)明彩虹全息術(shù)（白光全息術(shù)）；......40多年來，全息學(xué)科和技術(shù)得到飛速發(fā)展，高科技、國(guó)防、藝術(shù)等領(lǐng)域幾乎無所不及。2004-12-825山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院(3)、光子學(xué)的現(xiàn)狀與未來目前的“光子學(xué)”與“電子學(xué)”并駕