现代光学(2).ppt

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（4）半导体激光器
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三、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。
1、光子
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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γ。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.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
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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能量载体的光子行为及其应用的科 学。
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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《PHOTONICS— spectra》，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”。
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3、激光的特点
（1）方向性 （发散角小，10-3rad） （2）单色性（He-Ne,6328,谱线宽度（Å ） 为10-7） （3）相干性（钠光的相干长度约为3.5cm, He-Ne的为40千米） （4）能量集中
4、激光器的类型
（1）固体激光器
（2）气体激光器
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（3）液体激光器（染料激光器）
原子几乎全部处于基态。
（2）吸收、自发辐射、受激辐射 hv=E2-E1
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(3)爱因斯坦系数 B12N1p(V)=A21N2+B21N2P(v) 室温下，对波长为600nm的光，A21/B21N2=1035，受激发射几率很小。
2、激光的产生
（1）粒子数反转 A.激励（泵浦） B.激活介质 （2）光学谐振腔
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
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 4×10-19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。
为光子，它们也可以在电磁场中产生。
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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, 求 出 M=hv/C2,
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二、激光
激光（laser)的本意是受激辐射引起光放大 。（light amplification by stimulated of radiation) 1、激光原理
（1）粒子数按能级的统计分布：遵从玻耳兹曼定律 N∝e-En/KT
例：氢原子基态E1=-13.6ev,第一激发态E2=-3.4ev,则N1/N2=e-400,平衡态下，氢
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物理系现代物理讲座
----现代光学（I）
一、光学的发展 二、激光 三、光子革命
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一、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
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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。