激光 凝聚態(tài) 信息技術(shù)

激光凝聚態(tài)信息技術(shù)2004-12-81第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-82一.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§1.激光的發(fā)展第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-831916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(dāng)外來光子的頻率與它的躍遷頻率一致時(shí)，原子中的電子就會從高能級跳到低能級，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第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-841.1954年制成第一個(gè)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(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.研制過程第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-85湯斯像肖洛像激光的發(fā)展第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-863.1960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(shí)際應(yīng)用。激光的發(fā)展第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-871.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(diǎn)第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-88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)用第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-89激光的發(fā)展激光通訊技術(shù)第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-810激光的發(fā)展激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-811一.概述二.從電子管到晶體管、集成電路三.超導(dǎo)物理和超導(dǎo)材料四.其他§2.凝聚態(tài)物理的進(jìn)展第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8121.凝聚態(tài)：物質(zhì)的固態(tài)和液態(tài)的總稱。2.凝聚態(tài)物理學(xué)是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的宏觀及微觀本質(zhì)的學(xué)科。由它衍生出了半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)物理、液體物理、固體表面物理等分支，已成為當(dāng)前物理學(xué)的重要發(fā)展方向。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展一.概述第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8131.1904年世界上第一只真空二級電子管由英國人弗萊明發(fā)明，因此他于1929年獲爵士爵位。1906年美國人弗雷斯特又發(fā)明了真空三級電子管，賣專利獲39萬美元。2.巴丁、肖克萊、布拉坦發(fā)現(xiàn)晶體管：晶體管的發(fā)明是固體物理理論發(fā)展的產(chǎn)物，也是一些科學(xué)家不怕困難集體努力的結(jié)果。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展巴丁、肖克萊和布拉坦二.從電子管到晶體管、集成電路第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-814巴?。?908年5月生于美國，是貝爾研究所所長。肖克萊：1910年2月生于英國，主要研究固體物理，提出著名P-N結(jié)理論。布拉坦：1902年2月生于中國，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。經(jīng)歷了多次試驗(yàn)失敗，但百折不撓，終于在1947年12月23日，研制成功第一個(gè)晶體管。經(jīng)多年來不斷改進(jìn)，1999年9月法國科學(xué)家研制出的晶體管直徑僅為20納米，表面積僅為第一個(gè)晶體管的兩億分之一。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-815晶體管廉價(jià)、耐久、耗能小，顯示出電子管不可比的優(yōu)越性，奏響了微電子革命的序曲，半導(dǎo)體物理學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8163.集成電路但晶體管仍然存在著太大、過重和不可靠的缺點(diǎn)，人造衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)等的發(fā)展需要更優(yōu)越的半導(dǎo)體電路。美國科學(xué)家達(dá)默首先提出集成電路的創(chuàng)意，即把二極管、三極管、電阻、電容、電感等元件直接做在一塊芯片上，按某種功能連接成電路。1959年，美國制成第一塊集成電路，現(xiàn)已可以制成集成密度達(dá)70萬個(gè)元件/毫米2的芯片。真是鬼斧神工，人類所具有的無限創(chuàng)造力的確令人贊嘆！凝聚態(tài)物理的進(jìn)展第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8172.1933年，邁斯納發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場實(shí)際為零。3.1935年，倫敦兄弟提出了倫敦方程，解釋超導(dǎo)體的完全抗磁性。4.1957年，巴丁、庫柏、施里佛共同提出了超導(dǎo)電性的微觀理論，即B.C.S理論，獲諾貝爾獎(jiǎng)。1.1911年，昂納斯首先發(fā)現(xiàn)4.2k水銀電阻突然消失。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展三.超導(dǎo)物理和超導(dǎo)材料第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-818施里佛像凝聚態(tài)物理的進(jìn)展庫柏像第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8195.高溫超導(dǎo)的探索人們看到超導(dǎo)體所具有的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，近年來，科學(xué)家們?yōu)檎覍じ邷爻瑢?dǎo)材料的確花費(fèi)了力氣。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-820有人預(yù)測，摻雜金屬原子的C60有可能成為室溫超導(dǎo)體。釩三硅1953年哈迪Tc=17.1KTc=23.2K1973年馬塞阿斯鈮三鍺凝聚態(tài)物理的進(jìn)展Tc=15K阿瑟曼氮化鈮1941年Ba-La-Cu-OTc=35K1986年柏諾茲、鎦勒第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8216.超導(dǎo)電性的應(yīng)用展望1)可制成時(shí)速超過500千米的磁懸浮列車，現(xiàn)德國、英國、日本都試制運(yùn)行。2)可實(shí)現(xiàn)無損耗長距離輸電目前30%的電能因長距離輸送而浪費(fèi)，而用超導(dǎo)材料輸電可實(shí)現(xiàn)無損耗。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-822對凝聚態(tài)理論的深入研究，將促進(jìn)材料科學(xué)的新的革命，超微顆粒的納米材料由于其奇特的性質(zhì)，在21世紀(jì)將迎來它的黃金時(shí)代；而被譽(yù)為足球分子的C60，碳的這種同素異形體，可制成雜質(zhì)半導(dǎo)體、人造金剛石等。假如摻加金屬原子的C60能成為室溫超導(dǎo)體，那必將成為材料領(lǐng)域的一代天驕。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展四.其他第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-823對凝聚態(tài)理論的深入研究，也將帶來各種技術(shù)手段的提高，比如掃描隧道顯微鏡的出現(xiàn)。凝聚態(tài)物理理論可以轉(zhuǎn)化為各種重要的技術(shù)應(yīng)用，促進(jìn)了技術(shù)的發(fā)展，從而孕育著無限的生命力。凝聚態(tài)物理的進(jìn)展第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-824一.信息技術(shù)二.通信技術(shù)(信息傳遞)三.信息處理——計(jì)算機(jī)技術(shù)§3.現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-825１.美國香農(nóng)1948年發(fā)表《通信的數(shù)學(xué)理論》，是信息理論研究的開端。提出：“通信的基本理論是要在某一端準(zhǔn)確地或近似地再現(xiàn)從另一端選擇出來的信息?！爆F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長一.信息技術(shù)第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-826２.信息的重要性通過傳遞、再現(xiàn)、儲存和利用和加工信息，人類才有今天的發(fā)展，人類在認(rèn)識世界和改造世界的過程中，離不開信息的交換和利用，因此人們稱物質(zhì)、能量和信息是世界的三大支柱?，F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-827３.1993年，美國當(dāng)時(shí)的總統(tǒng)克林頓，提出了“信息高速公路計(jì)劃”，即建立可以交流各種信息的大容量、高速率的網(wǎng)絡(luò)，為發(fā)展經(jīng)濟(jì)創(chuàng)造條件?，F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-828馬可尼(1874-1937)：意大利人，根據(jù)赫茲發(fā)現(xiàn)的電磁波，應(yīng)用于無線電通訊，取得了巨大的成功，1901年12月12日實(shí)現(xiàn)了越洋通訊，1933年當(dāng)眾表演了環(huán)球通訊，經(jīng)6個(gè)大電臺傳遞，回到原處，只用了33秒。1.無線電通訊技術(shù)現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長馬可尼像二.通信技術(shù)(信息傳遞)第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8292.光纖通信光纖通信中信息的載體是光波，傳輸媒質(zhì)是光纖，從而將信息從一端傳向另一端。1)激光通訊：頻率越高所能傳播的線路越多。無線電通訊：3MHZ～30MHZ可傳100套廣播；300MHZ～3×105MHZ可傳1×105套廣播。而激光的頻率達(dá)1014Hz，可傳108套廣播。激光的傳輸速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電傳輸速率，達(dá)幾個(gè)數(shù)量級。現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8302)光導(dǎo)纖維：1966年由英籍華人高錕提出創(chuàng)意。現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長原理:當(dāng)入射角時(shí)，發(fā)生光的全反射。第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8311967年，光通過100米的玻璃絲，光能只剩百億分之一。1970年美國康寧公司馬瑞爾、卡普隆、凱克研制出了第一根實(shí)用的光纖。1985年，全世界光纖線路已達(dá)455.5萬公里。北美和歐洲鋪設(shè)了長6500公里海底光纜，可以傳輸36000路電話。現(xiàn)正準(zhǔn)備花150億美元，鋪設(shè)32萬公里海底光纜連接125個(gè)國家?？梢灶A(yù)見，光纖將逐步取代電纜，發(fā)揮其優(yōu)勢?，F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-832現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長光纜技術(shù)第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-833３)在常溫下連續(xù)工作的激光光源只有米粒大小，發(fā)出的光極細(xì)，頻率極高，方向性好，是光纖通信的理想光源，由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。這樣光纖通信就有了進(jìn)一步發(fā)展的良好前景。現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-834３.衛(wèi)星通信利用物理原理研制出的人造衛(wèi)星，在通信方面也發(fā)揮著它的優(yōu)勢。1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星。1958年1月31日，美國發(fā)射了第一顆衛(wèi)星。1970年4月24日，我國發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”，成為繼蘇、美、法、日之后第五個(gè)擁有衛(wèi)星的國家?，F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-835衛(wèi)星在通信中具有獨(dú)特的作用。利用衛(wèi)星作為中繼站，可以很容易的接受和放大信號，只需發(fā)射三個(gè)地球同步衛(wèi)星，就可實(shí)現(xiàn)全球通訊。但衛(wèi)星通訊由于使用微波，易被竊聽，且衛(wèi)星造價(jià)高，壽命短，也存在著一定的缺點(diǎn)。現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-836４.數(shù)字通信在信息的制作、傳輸和接收的過程中，有兩種方式，模擬方式和數(shù)字方式，在數(shù)字方式中先將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即編碼，在接收到數(shù)字信號后，通過譯碼，再現(xiàn)模擬信號。數(shù)字通信抗干擾，不失真，傳輸快，保密好，例數(shù)字電視機(jī)，數(shù)碼相機(jī)?，F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-8371.電子計(jì)算機(jī)誕生尋蹤１)圖靈：1912年生于英國，1936年在劍橋讀研究生時(shí)，發(fā)表《論應(yīng)用于決定問題的可計(jì)算數(shù)字》，奠定了人工智能的基礎(chǔ)。1945年，到英國國家物理所工作。圖靈制造了“巨人”式電子密碼譯解機(jī)，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。但不幸的是，由于意外的中毒事故，圖靈于1954年逝世。為了紀(jì)念圖靈，美國曾設(shè)“圖靈獎(jiǎng)”，獎(jiǎng)勵(lì)為計(jì)算機(jī)作出貢獻(xiàn)的人們?，F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長三.信息處理——計(jì)算機(jī)技術(shù)第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-838２)世界第一臺多用途電子計(jì)算機(jī)——ENIAC在二戰(zhàn)時(shí)期，有大量的軍事數(shù)據(jù)需要計(jì)算處理，比如算一條彈道，就需要至少20小時(shí)的時(shí)間。為了繪制彈道表，幾百人都忙不過來?，F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-839于是美國軍械部撥款，有二百多名技術(shù)人員參加，由24歲的埃克特?fù)?dān)任總工程師，開始了試制工作。并于1946年建成，共使用了1.8萬個(gè)電子管，重達(dá)30噸，高３米，30米長，占地約170平方米。耗電量很大（約150千瓦），需用大量水來冷卻，每７分鐘就要燒掉一個(gè)電子管。但是它計(jì)算一條彈道，只需20秒，比炮彈本身還快。它把“π”精確地計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后2037位，使人們看到了電子計(jì)算機(jī)的威力?，F(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-840匈牙利人。從小在學(xué)習(xí)上天賦很高。1945年，諾依曼確定了計(jì)算機(jī)應(yīng)由計(jì)算器控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置五部分組成，并提出了二進(jìn)制和程序內(nèi)存的思想。諾依曼和?？颂亍⒛ＨR等一起，在美國賓夕法尼亞大學(xué)用諾依曼的設(shè)想研制出了“離散變量自動電子計(jì)算機(jī)”。這是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)里程碑。人們將它稱為“馮·諾伊曼”機(jī)。1953年因患骨癌去世。３)諾依曼(1903-1957)現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長第四十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2004-12-841２.PC機(jī)的誕生：PC機(jī)即微型電子計(jì)算機(jī)現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的成長1971