11 第十一章激光、凝聚态、信息等

1、2021-6-121 第十一章第十一章 激光激光 凝聚态凝聚态 信息技术信息技术 1.1.激光的发展激光的发展 2.2.凝聚态物理的进展凝聚态物理的进展 3.3.现代信息科学技术的成长现代信息科学技术的成长 2021-6-122 一一.爱因斯坦提出的受激辐射的原理爱因斯坦提出的受激辐射的原理 二二.研制过程研制过程 三三.激光的优点激光的优点 四四.激光的应用激光的应用 1.激光的发展激光的发展 2021-6-123 19161916年，爱因斯坦提出，原子中处于高能级年，爱因斯坦提出，原子中处于高能级 的电子，受外来光子的作用，当外来光子的频率的电子，受外来光子的作用，当外来光子的频率 与它的

2、跃迁频率一致时，原子中的电子就会从高与它的跃迁频率一致时，原子中的电子就会从高 能级跳到低能级，并发射一个光子，新光子与原能级跳到低能级，并发射一个光子，新光子与原 光子频率、发射方向、相位等都相同，这样一个光子频率、发射方向、相位等都相同，这样一个 光子变成了两个光子，条件合适的情况下，光子光子变成了两个光子，条件合适的情况下，光子 就会象雪崩一样，得到加强和放大，这种放大的就会象雪崩一样，得到加强和放大，这种放大的 光称为激光。光称为激光。 激激 光光 的的 发发 展展 一一.爱因斯坦提出的受激辐射的原理爱因斯坦提出的受激辐射的原理 2021-6-124 1.1954年制成第一个微波量子放

3、大器。年制成第一个微波量子放大器。 2.1958年，美国的肖洛和汤斯发表年，美国的肖洛和汤斯发表“红外区和红外区和 光学激射器光学激射器”，汤斯因此获诺贝尔奖。，汤斯因此获诺贝尔奖。 在研制过程中，汤斯设计谐振腔遇到很大困在研制过程中，汤斯设计谐振腔遇到很大困 难，他去探望贝尔实验室的肖洛妹夫，肖洛对光难，他去探望贝尔实验室的肖洛妹夫，肖洛对光 学中的法布里学中的法布里珀洛干涉仪很有研究，突然联珀洛干涉仪很有研究，突然联 想到是否可以类比用想到是否可以类比用FPFP仪的原理来做谐振腔，仪的原理来做谐振腔， 这样产生激光的一个关键性问题解决了。所以在这样产生激光的一个关键性问题解决了。所以在 物

4、理研究中，借鉴和类比是我们探索之路。物理研究中，借鉴和类比是我们探索之路。 二二.研制过程研制过程 2021-6-125 汤斯像汤斯像 肖洛像肖洛像 激激 光光 的的 发发 展展 2021-6-126 3. 19603. 1960年，第一台红宝石激光器由梅曼制年，第一台红宝石激光器由梅曼制 成。成。19611961年，汤斯的研究生加万制成了年，汤斯的研究生加万制成了 氦氖激光器。氦氖激光器。4040多年前，爱因斯坦的受多年前，爱因斯坦的受 激辐射概念，获得实际应用。激辐射概念，获得实际应用。 激激 光光 的的 发发 展展 2021-6-127 1.巨型脉冲固体激光器巨型脉冲固体激光器亮度亮度比

5、太阳高上百亿倍比太阳高上百亿倍 2.2.单色性好单色性好 3.3.方向性好，相干性好，频率高方向性好，相干性好，频率高 例例 的单色性很好，的单色性很好，Kr 86 纳米 1 107 . 4 而激光而激光 纳米 7 10 激光束的发射角小于激光束的发射角小于1010-3 -3弧度，光能量集中于 弧度，光能量集中于 很窄的光束中。很窄的光束中。 激激 光光 的的 发发 展展 三三. .激光的优点激光的优点 2021-6-128 电视机、录像机的遥控器中就有红外激光半导电视机、录像机的遥控器中就有红外激光半导 体发射器，体发射器，VCDVCD、CDCD也是靠激光二极管去读取光盘信也是靠激光二极管去

6、读取光盘信 息。激光还可用于全息摄影。由于激光的单色性、息。激光还可用于全息摄影。由于激光的单色性、 方向性好，用作光通讯的载波很合适，用光纤传播方向性好，用作光通讯的载波很合适，用光纤传播 激光的光通讯已日益发展。激光的光通讯已日益发展。 激光在工业上，在农业上、医学上、军事上的激光在工业上，在农业上、医学上、军事上的 应用很广。应用很广。 现在人们正在研究开发一种同步辐射光源，这现在人们正在研究开发一种同步辐射光源，这 种光源在某些性质上已超过激光。种光源在某些性质上已超过激光。 激激 光光 的的 发发 展展 四四. .激光的应用激光的应用 2021-6-129 一一.概述概述 二二.从电

7、子管到晶体管、集成电路从电子管到晶体管、集成电路 三三.超导物理和超导材料超导物理和超导材料 四四.其他其他 2.凝聚态物理的进展凝聚态物理的进展 2021-6-1210 1.凝聚态凝聚态：物质的固态和液态的总称。物质的固态和液态的总称。 2.凝聚态物理学凝聚态物理学 是研究凝聚态物质的宏观及微观本质是研究凝聚态物质的宏观及微观本质 的学科。由它衍生出了半导体物理、超导的学科。由它衍生出了半导体物理、超导 物理、液体物理、固体表面物理等分支，物理、液体物理、固体表面物理等分支， 已成为当前物理学的重要发展方向。已成为当前物理学的重要发展方向。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 一

8、一.概述概述 2021-6-1211 1.1904年世界上第一只真空二级电子管由英国人弗莱明年世界上第一只真空二级电子管由英国人弗莱明 发明，因此他于发明，因此他于1929年获爵士爵位。年获爵士爵位。1906年美国人年美国人 弗雷斯特又发明了真空三级电子管，卖专利获弗雷斯特又发明了真空三级电子管，卖专利获39万万 美元。美元。 2.巴丁巴丁、肖克莱肖克莱、布拉坦布拉坦发现发现 晶体管：晶体管： 晶体管的发明是固体物理理晶体管的发明是固体物理理 论发展的产物，也是一些科学家论发展的产物，也是一些科学家 不怕困难集体努力的结果。不怕困难集体努力的结果。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展

9、展 巴丁、肖克莱和布拉坦巴丁、肖克莱和布拉坦 二二.从电子管到晶体管、集成电路从电子管到晶体管、集成电路 2021-6-1212 巴丁：巴丁： 19081908年年5 5月生于美国，是贝尔研究所所月生于美国，是贝尔研究所所 长。长。 肖克莱：肖克莱：19101910年年2 2月生于英国，主要研究固体物月生于英国，主要研究固体物 理，提出著名理，提出著名P-NP-N结理论。结理论。 布拉坦：布拉坦：19021902年年2 2月生于中国，实验物理学家。月生于中国，实验物理学家。 经历了多次试验失败，但百折不挠，终于在经历了多次试验失败，但百折不挠，终于在 19471947年年1212月月2323日

10、，研制成功第一个晶体管。经多年日，研制成功第一个晶体管。经多年 来不断改进，来不断改进，19991999年年9 9月法国科学家研制出的晶体管月法国科学家研制出的晶体管 直径仅为直径仅为2020纳米，表面积仅为第一个晶体管的两亿纳米，表面积仅为第一个晶体管的两亿 分之一。分之一。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 2021-6-1213 晶体管廉价、耐久、晶体管廉价、耐久、 耗能小，显示出电子管不耗能小，显示出电子管不 可比的优越性，奏响了微可比的优越性，奏响了微 电子革命的序曲，半导体电子革命的序曲，半导体 物理学应运而生。物理学应运而生。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进

11、进 展展 2021-6-1214 3.集成电路集成电路 但晶体管仍然存在着太大、过重和不可靠但晶体管仍然存在着太大、过重和不可靠 的缺点，人造卫星、计算机等的发展需要更优的缺点，人造卫星、计算机等的发展需要更优 越的半导体电路。美国科学家达默首先提出集越的半导体电路。美国科学家达默首先提出集 成电路的创意，即把二极管、三极管、电阻、成电路的创意，即把二极管、三极管、电阻、 电容、电感等元件直接做在一块芯片上，按某电容、电感等元件直接做在一块芯片上，按某 种功能连接成电路。种功能连接成电路。19591959年，美国制成第一块年，美国制成第一块 集成电路，现已可以制成集成密度达集成电路，现已可以制

12、成集成密度达7070万个元万个元 件件/ /毫米毫米2 2的芯片。真是鬼斧神工，人类所具有的芯片。真是鬼斧神工，人类所具有 的无限创造力的确令人赞叹！的无限创造力的确令人赞叹！ 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 2021-6-1215 2.1933年，迈斯纳发现超导体内部的磁场实际年，迈斯纳发现超导体内部的磁场实际 为零。为零。 3.1935年，伦敦兄弟提出了伦敦方程，解释超年，伦敦兄弟提出了伦敦方程，解释超 导体的完全抗磁性。导体的完全抗磁性。 4.1957年，巴丁、库柏、施里佛共同提出了超年，巴丁、库柏、施里佛共同提出了超 导电性的微观理论，即导电性的微观理论，即B.C.S理

13、论，获诺贝理论，获诺贝 尔奖。尔奖。 1.1911年，昂纳斯首先发现年，昂纳斯首先发现4.2k水银电阻突然水银电阻突然 消失。消失。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 三三.超导物理和超导材料超导物理和超导材料 2021-6-1216 施里佛像施里佛像 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 库柏像库柏像 2021-6-1217 5.高温超导的探索高温超导的探索 人们看到超导体所具有的科学和经济价人们看到超导体所具有的科学和经济价 值，近年来，科学家们为找寻高温超导材料值，近年来，科学家们为找寻高温超导材料 的确花费了力气。的确花费了力气。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理

14、的的 进进 展展 2021-6-1218 有人预测，掺杂金属原子的有人预测，掺杂金属原子的C C60 60有可能成 有可能成 为室温超导体。为室温超导体。 钒三硅钒三硅1953年年哈迪哈迪Tc=17.1K Tc=23.2K 1973年年马塞阿斯马塞阿斯铌三锗铌三锗 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 Tc=15K阿瑟曼阿瑟曼氮化铌氮化铌1941年年 Ba-La- Cu-O Tc=35K1986年年柏诺兹、镏勒柏诺兹、镏勒 2021-6-1219 6.超导电性的应用展望超导电性的应用展望 1)可制成时速超过可制成时速超过500千米的千米的磁悬浮列车磁悬浮列车，现德，现德 国、英国、日

15、本都试制运行。国、英国、日本都试制运行。 2)可实现无损耗长距离输电可实现无损耗长距离输电 目前目前30%30%的电能因长距离输送而浪费，的电能因长距离输送而浪费， 而用超导材料输电可实现无损耗。而用超导材料输电可实现无损耗。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 2021-6-1220 对凝聚态理论的深入研究，将促进材料对凝聚态理论的深入研究，将促进材料 科学的新的革命，超微颗粒的纳米材料由于科学的新的革命，超微颗粒的纳米材料由于 其奇特的性质，在其奇特的性质，在2121世纪将迎来它的黄金时世纪将迎来它的黄金时 代；而被誉为足球分子的代；而被誉为足球分子的C C60 60，碳的这种

16、同素 ，碳的这种同素 异形体，可制成杂质半导体、人造金刚石等。异形体，可制成杂质半导体、人造金刚石等。 假如掺加金属原子的假如掺加金属原子的C C60 60能成为室温超导体， 能成为室温超导体， 那必将成为材料领域的一代天骄。那必将成为材料领域的一代天骄。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 四四.其他其他 2021-6-1221 对凝聚态理论的深入研究，也将带来对凝聚态理论的深入研究，也将带来 各种技术手段的提高，比如扫描隧道显微各种技术手段的提高，比如扫描隧道显微 镜的出现。镜的出现。 凝聚态物理理论可以转化为各种重要凝聚态物理理论可以转化为各种重要 的技术应用，促进了技术的发

17、展，从而孕的技术应用，促进了技术的发展，从而孕 育着无限的生命力。育着无限的生命力。 凝凝 聚聚 态态 物物 理理 的的 进进 展展 2021-6-1222 一一.信息技术信息技术 二二.通信技术通信技术(信息传递信息传递) 三三.信息处理信息处理计算机技术计算机技术 3.现代信息科学技术的成长现代信息科学技术的成长 2021-6-1223 .美国香农美国香农1948年发表年发表通信的数学理通信的数学理 论论，是信息理论研究的开端。，是信息理论研究的开端。 提出：提出：“通信的基本理论是要在某一端通信的基本理论是要在某一端 准确地或近似地再现从另一端选准确地或近似地再现从另一端选 择出来的信息

18、。择出来的信息。” 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 一一.信息技术信息技术 2021-6-1224 .信息的重要性信息的重要性 通过传递、再现、储存和利用和加工通过传递、再现、储存和利用和加工 信息，人类才有今天的发展，人类在认识信息，人类才有今天的发展，人类在认识 世界和改造世界的过程中，离不开信息的世界和改造世界的过程中，离不开信息的 交换和利用，因此人们称物质、能量和信交换和利用，因此人们称物质、能量和信 息是世界的三大支柱。息是世界的三大支柱。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1225 .1993年，美国

19、当时的总统克林顿，提出了年，美国当时的总统克林顿，提出了 “信息高速公路计划信息高速公路计划”，即建立可以交流，即建立可以交流 各种信息的大容量、高速率的网络，为发各种信息的大容量、高速率的网络，为发 展经济创造条件。展经济创造条件。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1226 马可尼马可尼(1874-1937)：意意 大利人，根据赫兹发现大利人，根据赫兹发现 的电磁波，应用于无线的电磁波，应用于无线 电通讯，取得了巨大的电通讯，取得了巨大的 成功，成功，19011901年年1212月月1212 日实现了越洋通讯，日实现了越洋通讯， 1933193

20、3年当众表演了环年当众表演了环 球通讯，经球通讯，经6 6个大电台个大电台 传递，回到原处，只用传递，回到原处，只用 了了3333秒。秒。 1.无线电通讯技术无线电通讯技术 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 马可尼像马可尼像 二二.通信技术通信技术(信息传递信息传递) 2021-6-1227 2. 光纤通信光纤通信 光纤通信中信息的载体是光波，传输媒质光纤通信中信息的载体是光波，传输媒质 是光纤，从而将信息从一端传向另一端。是光纤，从而将信息从一端传向另一端。 1)激光通讯激光通讯：频率越高所能传播的线路越多。频率越高所能传播的线路越多。 无线电通讯无线电通讯

21、：3MHZ3MHZ30MHZ 30MHZ 可传可传100100套广播；套广播； 300MHZ300MHZ3 31010 5 5 MHZMHZ可传可传 1 110105 5套广播。套广播。 而激光的频率达而激光的频率达101014 14Hz Hz，可传，可传10108 8套广播。套广播。 激光的传输速率还远远超过电传输速率，激光的传输速率还远远超过电传输速率， 达几个数量级。达几个数量级。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1228 2)光导纤维光导纤维：19661966年由英籍华人高锟提出创意年由英籍华人高锟提出创意。 现现 代代 信信 息息 科科

22、 学学 技技 术术 的的 成成 长长 原理原理: : 当入射角当入射角 1 21 sin n n ii o 时，发生光的全反射。时，发生光的全反射。 2021-6-1229 19671967年，光通过年，光通过100100米的玻璃丝，光能只剩米的玻璃丝，光能只剩 百亿分之一。百亿分之一。 19701970年美国康宁公司马瑞尔、卡普隆、凯年美国康宁公司马瑞尔、卡普隆、凯 克研制出了第一根实用的光纤。克研制出了第一根实用的光纤。 19851985年，全世界光纤线路已达年，全世界光纤线路已达455.5455.5万公万公 里。北美和欧洲铺设了长里。北美和欧洲铺设了长65006500公里海底光缆，公里海

23、底光缆， 可以传输可以传输3600036000路电话。路电话。 现正准备花现正准备花150150亿美元，铺设亿美元，铺设3232万公里海万公里海 底光缆连接底光缆连接125125个国家。个国家。 可以预见，光纤将逐步取代电缆，发挥其可以预见，光纤将逐步取代电缆，发挥其 优势。优势。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1230 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 光缆技术 2021-6-1231 )在常温下连续工作的激光光源在常温下连续工作的激光光源 只有米粒大小，发出的光极细，频率极只有米粒大小，发出的光极细，频率极

24、高，方向性好，是光纤通信的理想光源，由高，方向性好，是光纤通信的理想光源，由 美国贝尔实验室研制成功。美国贝尔实验室研制成功。 这样光纤通信就有了进一步发展的良好这样光纤通信就有了进一步发展的良好 前景。前景。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1232 .卫星通信卫星通信 利用物理原理研制出的人造卫星，在通信利用物理原理研制出的人造卫星，在通信 方面也发挥着它的优势。方面也发挥着它的优势。 19571957年年1010月月4 4日，前苏联发射了世界上第日，前苏联发射了世界上第 一颗人造地球卫星。一颗人造地球卫星。 19581958年年1 1月月3

25、131日，美国发射了第一颗卫星。日，美国发射了第一颗卫星。 19701970年年4 4月月2424日，我国发射了第一颗人造日，我国发射了第一颗人造 卫星卫星“东方红一号东方红一号”，成为继苏、美、法、日，成为继苏、美、法、日 之后第五个拥有卫星的国家。之后第五个拥有卫星的国家。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1233 卫星在通信中具有独特的作用。利用卫星在通信中具有独特的作用。利用 卫星作为中继站，可以很容易的接受和放卫星作为中继站，可以很容易的接受和放 大信号，只需发射三个地球同步卫星，就大信号，只需发射三个地球同步卫星，就 可实现全球通讯。

26、但卫星通讯由于使用微可实现全球通讯。但卫星通讯由于使用微 波，易被窃听，且卫星造价高，寿命短，波，易被窃听，且卫星造价高，寿命短， 也存在着一定的缺点。也存在着一定的缺点。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1234 .数字通信数字通信 在信息的制作、传输和接收的过程中，有在信息的制作、传输和接收的过程中，有 两种方式，模拟方式和数字方式，在数字方两种方式，模拟方式和数字方式，在数字方 式中先将模拟信号转换为数字信号，即编码，式中先将模拟信号转换为数字信号，即编码， 在接收到数字信号后，通过译码，再现模拟在接收到数字信号后，通过译码，再现模拟 信号

27、。数字通信抗干扰，不失真，传输快，信号。数字通信抗干扰，不失真，传输快， 保密好，例数字电视机，保密好，例数字电视机，数码相机数码相机。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1235 1.电子计算机诞生寻踪电子计算机诞生寻踪 )图灵：图灵：19121912年生于英国，年生于英国，19361936年在剑桥读研究年在剑桥读研究 生时，发表生时，发表论应用于决定问题的可计论应用于决定问题的可计 算数字算数字，奠定了人工智能的基础。，奠定了人工智能的基础。 19451945年，到英国国家物理所工作。图灵年，到英国国家物理所工作。图灵 制造了制造了“巨人巨人”

28、式电子密码译解机，用式电子密码译解机，用 来进行数据处理。但不幸的是，由于意来进行数据处理。但不幸的是，由于意 外的中毒事故，图灵于外的中毒事故，图灵于19541954年逝世。为年逝世。为 了纪念图灵，美国曾设了纪念图灵，美国曾设“图灵奖图灵奖”，奖，奖 励为计算机作出贡献的人们。励为计算机作出贡献的人们。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 三三.信息处理信息处理计算机技术计算机技术 2021-6-1236 )世界第一台多用途电子计算机世界第一台多用途电子计算机ENIAC 在二战时期，有大量的军事数据需要计在二战时期，有大量的军事数据需要计 算处理，比如算一条弹

29、道，就需要至少算处理，比如算一条弹道，就需要至少2020小小 时的时间。为了绘制弹道表，几百人都忙不时的时间。为了绘制弹道表，几百人都忙不 过来。过来。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1237 于是美国军械部拨款，有二百多名技于是美国军械部拨款，有二百多名技 术人员参加，由术人员参加，由2424岁的埃克特担任总工程岁的埃克特担任总工程 师，开始了试制工作。并于师，开始了试制工作。并于19461946年建成，年建成， 共使用了共使用了1.81.8万个电子管，重达万个电子管，重达3030吨，高吨，高 米，米，3030米长，占地约米长，占地约1701

30、70平方米。耗电量很平方米。耗电量很 大（约大（约150150千瓦），需用大量水来冷却，每千瓦），需用大量水来冷却，每 分钟就要烧掉一个电子管。但是它计算分钟就要烧掉一个电子管。但是它计算 一条弹道，只需一条弹道，只需2020秒，比炮弹本身还快。秒，比炮弹本身还快。 它把它把“”精确地计算到小数点后精确地计算到小数点后20372037位，位， 使人们看到了电子计算机的威力。使人们看到了电子计算机的威力。 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1238 匈牙利人。从小在学习上天赋很高。匈牙利人。从小在学习上天赋很高。19451945 年，诺依曼确定了计算

31、机应由计算器控制器、年，诺依曼确定了计算机应由计算器控制器、 存储器、输入装置和输出装置五部分组成，并存储器、输入装置和输出装置五部分组成，并 提出了二进制和程序内存的思想。提出了二进制和程序内存的思想。 诺依曼和埃克特、莫希莱等一起，在美国诺依曼和埃克特、莫希莱等一起，在美国 宾夕法尼亚大学用诺依曼的设想研制出了宾夕法尼亚大学用诺依曼的设想研制出了“离离 散变量自动电子计算机散变量自动电子计算机”。这是计算机发展的。这是计算机发展的 一个里程碑。人们将它称为一个里程碑。人们将它称为“冯冯诺伊曼诺伊曼”机。机。 19531953年因患骨癌去世。年因患骨癌去世。 )诺依曼诺依曼(1903-1957) 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 2021-6-1239 .PC机的诞生：机的诞生：PCPC机即微型电子计算机机即微型电子计算机 现现 代代 信信 息息 科科 学学 技技 术术 的的 成成 长长 19711971年美国的英特尔公司制年美国的英特尔公司制 成第一台微处理器，成第一台微处理器，19751975年，年， AltairAltair公司制成第一台公司制成第一台PCPC机。乔机。乔