緒論(激光物理進展)

教師簡介聯(lián)系方式：Telmail：xujun@研究方向：量子光學(xué)、激光物理1998-2002華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，學(xué)士學(xué)位。2002-2004華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院理論物理專業(yè)，導(dǎo)師為胡響明教授，獲理學(xué)碩士學(xué)位。2004-2007華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光學(xué)專業(yè)，導(dǎo)師為胡響明教授，獲光學(xué)博士學(xué)位。2007年7月任職于華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。2010年11月-2011年11月赴美國德州農(nóng)工大學(xué)跟從M.Suhail

Zubairy教授訪學(xué)。8/13/20241主要內(nèi)容緒論(激光物理進展)光的量子性光的相干性激光半經(jīng)典理論原子與光場共振相互作用密度矩陣方法量子干涉效應(yīng)共振熒光非線性光學(xué)：光學(xué)雙穩(wěn)、光散射、光學(xué)混頻等量子信息等等8/13/20242LaserPhysics

M.SargentIII,M.O.Scully,W.E.Lamb,Jr.,Addison-Wesley,Reading,MA:1974注:有中文譯本．科學(xué)出版社主要教材與參考書QuantumOpticsM.O.ScullyandM.S.Zubairy,CambridgeUniversityPress,19978/13/20243TheQuantumTheoryofLight

(secondedition)RodneyLoudon，OxfordUniversityPress,1983注:１．有中文譯本．高等教育出版社，于良譯，1992年?！陡叩燃す馕锢韺W(xué)》（李福利，高等教育出版社）《非線性光學(xué)》（李淳飛，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社）8/13/20244考核方式通過查閱書籍和文獻，撰寫課程論文，文字公式篇幅不少于5000字。8/13/20245第一講緒論8/13/20246激光是20世紀(jì)人類值得驕傲的重大發(fā)明之一。激光具有極高的亮度：其亮度比太陽的亮度高l0萬倍以上。有優(yōu)良的單色性和相干性：單色性比最好的普通光源高出百萬倍，相干長度可達數(shù)百千米，遠(yuǎn)好于其他光源。有較好的方向性：若將一束激光射向月球（地月距離約為40萬千米），到達月球表明的光斑直徑不會超過2千米。8/13/20247激光物理學(xué)主要討論激光與物質(zhì)的相互作用問題，著重處理激光系統(tǒng)。1、熟悉激光的基本原理；2、了解應(yīng)用和研究它的現(xiàn)狀與前景；3、掌握經(jīng)典理論、速率方程理論、半經(jīng)典理論和量子理論等分析方法。8/13/20248激光理論介紹經(jīng)典理論將光視為經(jīng)典電磁場，而把介質(zhì)原子看作經(jīng)典諧振子，其相互作用就是經(jīng)典偶極子在光場中所作的強迫阻尼振蕩，該模型簡單直觀，能解釋某些實驗現(xiàn)象。速率方程理論是關(guān)于光強與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的方程，主要解決激光光強的特性以及與光強有直接關(guān)系的若干問題，如激光器的增益飽和、瞬態(tài)特性、調(diào)Q激光動力學(xué)、多模振蕩及燒孔等。8/13/20249半經(jīng)典激光理論是把光看作經(jīng)典電磁場，用麥克斯韋方程描述；把介質(zhì)看作量子化的粒子系統(tǒng)，用薛定諤方程描述，由此建立起激光的電磁場方程即蘭姆自洽場方程，描述腔內(nèi)激光行為。全量子理論進一步將光場量子化，并計及量子起伏，已經(jīng)順利解決了半經(jīng)典理論所不能解決的激光線寬、光子統(tǒng)計等問題。8/13/202410一、激光誕生歷史二、什么是激光三、原子吸收光和發(fā)射光理論四、產(chǎn)生激光的條件主要內(nèi)容8/13/202411一、激光誕生歷史AlbertEinstein，1905年,光量子理論（用這個量子理論解釋著名的光電效應(yīng)獲Nobel獎，1921年）8/13/202412激光的理論基礎(chǔ)由愛因斯坦奠定。愛因斯坦在1916年研究輻射問題時發(fā)表了《關(guān)于輻射的量子理論》一文，詳細(xì)研究了光與物質(zhì)的相互作用過程，特別是吸收、自發(fā)輻射、受激輻射這三種基本作用形式，導(dǎo)出了著名的愛因斯坦關(guān)系式，使受激輻射理論上升到了定量的高度。8/13/202413ClarlesH.Townes（美國）,NikolaiBasov,AleksanderM.Prokhorov（蘇聯(lián)）1954年實現(xiàn)氨分子微波量子振蕩器（Maser），他們利用原子分子的受激輻射來放大電磁波，這一突破性進展為激光誕生鋪平了道路。1964年獲Nobel獎，表彰他們在量子電子學(xué)方面的基礎(chǔ)研究。8/13/202414ClarlesH.Townes,ArthurL.Schawlow決定將Maser原理推廣到光頻段，1958年提出利用尺度遠(yuǎn)大于光波波長的開放式諧振腔（基于早有的Fabry-Perot法布里－珀羅干涉儀）NicolaasBloembergen（美國）提出利用光泵浦三能級原子系統(tǒng)實現(xiàn)原子數(shù)反轉(zhuǎn)的新構(gòu)思，為微波激射器和激光器的發(fā)展指明了方向。8/13/202415TheodoreH.Maimann,美國休斯研究實驗室量子電子部的負(fù)責(zé)人，有用紅寶石進行微波激射器研究的多年經(jīng)驗，經(jīng)過200多天的艱苦奮斗，終于在1960年7月7日實現(xiàn)了世界上第一臺激光器:紅寶石固態(tài)激光器，從此宣告了激光時代的到來。（未獲Nobel獎）8/13/202416我國第一臺固體紅寶石激光器：1961年9月，王之江，中國科學(xué)院長春光機所我國第一臺氦氖氣體激光器：1963年7月，鄧錫銘，中國科學(xué)院長春光機所8/13/2024172001年：美國的埃里克·康奈爾、卡爾·維曼和德國的沃爾夫?qū)た颂乩眨碚盟麄儗ΣＩ珢垡蛩固估淠龖B(tài)的研究。1997年：美國的朱棣文、威廉·菲利普斯和法國的科恩·塔諾季，表彰他們在發(fā)展用激光冷卻陷俘原子的方法方面所做的貢獻。2005年：美國的羅伊?格勞伯，表彰其對“光學(xué)相干的量子理論”的貢獻，美國的約翰?霍爾和德國的特奧多爾?亨施，表彰其“基于激光的精密光譜學(xué)”的貢獻。近年基于激光應(yīng)用的諾貝爾物理學(xué)獎8/13/202418StevenChu,WillianD.Phillips,ClaudeCohen-Tannoudji發(fā)展了激光冷卻和磁阱技術(shù)的有效制冷方法，利用激光將原子囚禁。1997年諾貝爾物理學(xué)獎8/13/2024192001年諾貝爾物理學(xué)獎從左至右依次為ketterle,cornell,wieman1995年wieman和cornell（美國）將銣原子限制在磁阱中進行激光冷卻首次成功觀察到原子氣的BEC現(xiàn)象，同年ketterle（德國）在鈉原子氣中實現(xiàn)了BEC。實現(xiàn)BEC（大量原子的行為像單個粒子一樣不可區(qū)分）的苛刻條件：1、溫度極低2、原子處于氣態(tài)8/13/202420相干性量子理論基于激光的精密光譜學(xué)RoyJ.GlauberJohnL.Hall

，TheodorW.H?nsch2005年諾貝爾物理學(xué)獎8/13/202421

RoyJ.Glauber

（羅伊·格勞伯，1925年生）HarvardUniversity,Cambridge,MA,USA（馬薩諸塞州的劍橋市）24歲從哈佛大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位提出了“相干性量子理論”（1963年），奠定了量子光學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)，被譽為“量子光學(xué)之父”。8/13/202422JohnL.Hall

（約翰·霍爾，1934年生）JILA,UniversityofColoradoandNationalInstituteofStandardsandTechnology,Boulder,CO,USA27歲時獲得卡內(nèi)基理工學(xué)院博士學(xué)位解決了實現(xiàn)光梳技術(shù)的最關(guān)鍵的實驗難題（1973年）光梳技術(shù)可以精確測量各種顏色光的頻率8/13/202423TheodorW.H?nsch（特奧多爾·亨施，1942年生）Max-Planck-InstitutfürQuantenoptik,GarchingandLudwig-Maximilians-Universit?t,Munich,Germany提出精確測量光學(xué)頻率的光梳技術(shù)概念和方法（1978年）28歲獲得德國海德堡大學(xué)的博士學(xué)位8/13/202424二、激光是什么？激光------Laser（Lase,lasing)------LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------利用受激輻射產(chǎn)生光放大8/13/202425激光器：光波振蕩器，強相干光源世界第一臺激光器：

1960年，Maimann我國第一臺激光器：

1961年，王之江，鄧錫銘8/13/202426激光源于量子躍遷

選擇物質(zhì)是否具有適當(dāng)頻率

能否建立反轉(zhuǎn)三、光被原子吸收和發(fā)射的理論（愛因斯坦關(guān)系式）8/13