第十一章現(xiàn)代光學的興起

第十一章現(xiàn)代光學的興起§1.光學的發(fā)展§2.激光的發(fā)展§3.光子革命2004-12-81山東師范大學物理與電子科學學院§1、光學的發(fā)展1、幾何光學2、波動光學3、量子光學4、現(xiàn)代光學2004-12-82山東師范大學物理與電子科學學院

現(xiàn)代光學源于上世紀60年代初激光的出現(xiàn)，從而導致大批光學方面的新成果，并由此派生出一系列光學領(lǐng)域的新分支，光學領(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（和光波波長相比較）.干涉：相干光學、統(tǒng)計光學、薄膜光學.衍射：傅里葉光學、衍射光學、二元光學.偏振：晶體光學、偏振光學.其他：矩陣光學、激光束光學、海洋光學、大氣光學、生理光學、組織光學2、小空間范圍（和光波波長相比較）導波光學、光纖光學、二元光學、微光學、近場光學3、大光能量（高光能密度）非線性光學、強光光學、自適應(yīng)光學4、非均勻介質(zhì)非均勻介質(zhì)光學、散射光學、組織光學2004-12-83山東師范大學物理與電子科學學院一.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)點四.激光的應(yīng)用§2.激光的發(fā)展2004-12-84山東師范大學物理與電子科學學院1916年，愛因斯坦提出，原子中處于高能級的電子，受外來光子的作用，當外來光子的頻率與它的躍遷頻率一致時，原子中的電子就會從高能級跳到低能級，并發(fā)射一個光子，新光子與原光子頻率、發(fā)射方向、相位等都相同，這樣一個光子變成了兩個光子，條件合適的情況下，光子就會象雪崩一樣，得到加強和放大，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山東師范大學物理與電子科學學院1.1954年制成第一個微波量子放大器。2.1958年，美國的肖洛和湯斯發(fā)表“紅外區(qū)和光學激射器”，湯斯因此獲諾貝爾獎。在研制過程中，湯斯設(shè)計諧振腔遇到很大困難，他去探望貝爾實驗室的肖洛妹夫，肖洛對光學中的法布里——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山東師范大學物理與電子科學學院湯斯像肖洛像激光的發(fā)展2004-12-87山東師范大學物理與電子科學學院3.1960年，第一臺紅寶石激光器由梅曼制成。1961年，湯斯的研究生加萬制成了氦氖激光器。40多年前，愛因斯坦的受激輻射概念，獲得實際應(yīng)用。激光的發(fā)展2004-12-88山東師范大學物理與電子科學學院1.巨型脈沖固體激光器亮度比太陽高上百億倍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2004-12-89山東師范大學物理與電子科學學院電視機、錄像機的遙控器中就有紅外激光半導體發(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)學上、軍事上的應(yīng)用很廣。現(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山東師范大學物理與電子科學學院激光的發(fā)展激光通訊技術(shù)2004-12-811山東師范大學物理與電子科學學院激光的發(fā)展激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用2004-12-812山東師范大學物理與電子科學學院§3、光子革命光子革命是2009年夏季大連達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山東師范大學物理與電子科學學院

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)散射時波長變化的康普頓效應(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。量子電動力學確立后，確認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，正反帶電粒子對可湮沒轉(zhuǎn)化為光子，它們也可以在電磁場中產(chǎn)生。2004-12-814山東師范大學物理與電子科學學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。一個光子能量的多少與波長相關(guān),波長越短,能量越高。當一個光子被分子吸收時,就有一個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，而在量子場論中光子被認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。對可見光而言，單個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)起眼睛上感光細胞的一個分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態(tài)，但單個光子沒有確定的動量或偏振態(tài)。2004-12-815山東師范大學物理與電子科學學院2、光子學1970年，在第九屆國際高速攝影會議上，荷蘭科學家Poldervaart首次提出關(guān)于光子學的定義規(guī)范，他認為，光子學是“研究以光子為信息載體的科學”。其后，相繼出現(xiàn)不少類似的定義。例如，法國頗有影響的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，從而促成了光子學的形成。世界著名的美國《SPECTRA》雜志，也于1982年率先更名為《PHOTONICS—spectra》，并提出光子學是“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”，并認為，“光子學的應(yīng)用范圍從能量的發(fā)生到通信與信息處理”。貝爾實驗室著名的Ross教授為光子學作了一個頗為廣義的定義，他認為，可與電子學類比，“電子學是關(guān)于電子的科學”，光子學則應(yīng)是“關(guān)于光子的科學”。2004-12-816山東師范大學物理與電子科學學院

在我國，老一輩科學家龔祖同、錢學森等早在70年代末就發(fā)出呼吁，希望積極開展光子學的學科建設(shè)。錢教授提出，“光子學是與電子學平行的科學”，他還首次提出了“光子學—光子技術(shù)—光子工業(yè)”的關(guān)于光子學的發(fā)展模式。鑒于上述情況，1994年我國一些科學家聚會于北京，在香山科學會議上，，對光子學的有關(guān)問題展開了熱烈討論，并在諸多方面取得了共識。關(guān)于光子學定義、內(nèi)涵及研究范圍，較為一致的見解是：光子學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。2004-12-817山東師范大學物理與電子科學學院廣義地講，光子學是關(guān)于光子及其應(yīng)用的科學。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，它的研究內(nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測規(guī)律等。實際上，光子學是一個具有極強應(yīng)用背景的學科，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)、光子存儲技術(shù)、光子探測技術(shù)、光子顯示技術(shù)等等。光子技術(shù)的基礎(chǔ)是光子學。因此在這個意義上講，光子學是一門更具技術(shù)科學性質(zhì)的學科。2004-12-818山東師范大學物理與電子科學學院3、光子學的應(yīng)用研究領(lǐng)域。（1）信息科學---光子學與信息科學的交叉已經(jīng)形成一門新興的學科—信息光子學(INFOPHOTONICS)

---目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運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（optoelectronics）技術(shù)已應(yīng)用在信息領(lǐng)域

---通信和計算機研究與發(fā)展從電子學到光電子學和光子學，其末來屬于光子學領(lǐng)域。

2004-12-819山東師范大學物理與電子科學學院（2）生物或生命科學

---在２１世紀，所有的科學技術(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點與發(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)學光學與光子學驟然興起，令人矚目，并因而引發(fā)出一門新興的學科—生物醫(yī)學光子學(BIO-MEDOPHOTONICS)。生物醫(yī)學光子學就是用光子來研究生命的科學，它是光子學和生命科學相互交叉、相互滲透而產(chǎn)生的邊緣學科。2004-12-820山東師范大學物理與電子科學學院前已研究開發(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）運算速度更快的光子計算機。（3）存儲重大的光存儲技術(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山東師范大學物理與電子科學學院全息技術(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山東師范大學物理與電子科學學院什么是全息術(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山東師范大學物理與電子科學學院全息發(fā)展簡史

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山東師范大學物理與電子科學學院1964年

Ar+Laser

問世——布里奇斯

氬離子激光器提供了短波長連續(xù)可見光，擴展了全息技術(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，全息學科和技術(shù)得到飛速發(fā)展，高科技、國防、藝術(shù)等領(lǐng)域幾乎無所不及。2004-12-825山東師范大學物理與電子科學學院(3)、光子學的現(xiàn)狀與未來目前的“光子學”與“電子學”并駕