第十一章现代光学的兴起

第十一章现代光学的兴起§1.光学的发展§2.激光的发展§3.光子革命2004-12-81山东师范大学物理与电子科学学院§1、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2004-12-82山东师范大学物理与电子科学学院

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。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2004-12-83山东师范大学物理与电子科学学院一.爱因斯坦提出的受激辐射的原理二.研制过程三.激光的优点四.激光的应用§2.激光的发展2004-12-84山东师范大学物理与电子科学学院1916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，光子就会象雪崩一样，得到加强和放大，这种放大的光称为激光。激光的发展一.爱因斯坦提出的受激辐射的原理2004-12-85山东师范大学物理与电子科学学院1.1954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“红外区和光学激射器”，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——珀洛干涉仪很有研究，突然联想到是否可以类比用F—P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。所以在物理研究中，借鉴和类比是我们探索之路。激光的发展二.研制过程2004-12-86山东师范大学物理与电子科学学院汤斯像肖洛像激光的发展2004-12-87山东师范大学物理与电子科学学院3.1960年，第一台红宝石激光器由梅曼制成。1961年，汤斯的研究生加万制成了氦氖激光器。40多年前，爱因斯坦的受激辐射概念，获得实际应用。激光的发展2004-12-88山东师范大学物理与电子科学学院1.巨型脉冲固体激光器亮度比太阳高上百亿倍2.单色性好3.方向性好，相干性好，频率高例的单色性很好，而激光激光束的发射角小于10-3弧度，光能量集中于很窄的光束中。激光的发展三.激光的优点2004-12-89山东师范大学物理与电子科学学院电视机、录像机的遥控器中就有红外激光半导体发射器，VCD、CD也是靠激光二极管去读取光盘信息。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、军事上的应用很广。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。激光的发展四.激光的应用2004-12-810山东师范大学物理与电子科学学院激光的发展激光通讯技术2004-12-811山东师范大学物理与电子科学学院激光的发展激光技术在农业上的应用2004-12-812山东师范大学物理与电子科学学院§3、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。2004-12-813山东师范大学物理与电子科学学院

1、光子

原称呼为光量子（lightquantum），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为光子，它们也可以在电磁场中产生。2004-12-814山东师范大学物理与电子科学学院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,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。2004-12-815山东师范大学物理与电子科学学院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”。2004-12-816山东师范大学物理与电子科学学院

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。2004-12-817山东师范大学物理与电子科学学院广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。在理论上，它主要研究光子的量子特性及其在与物质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测规律等。实际上，光子学是一个具有极强应用背景的学科，并由此而形成了一系列的光子技术，如光子发生技术(激光技术)、光子传输技术、光子调制与开关技术、光子存储技术、光子探测技术、光子显示技术等等。光子技术的基础是光子学。因此在这个意义上讲，光子学是一门更具技术科学性质的学科。2004-12-818山东师范大学物理与电子科学学院3、光子学的应用研究领域。（1）信息科学---光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学科—信息光子学(INFOPHOTONICS)

---目前，信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参于来完成，所形成的光电子学（optoelectronics）技术已应用在信息领域

---通信和计算机研究与发展从电子学到光电子学和光子学，其末来属于光子学领域。

2004-12-819山东师范大学物理与电子科学学院（2）生物或生命科学

---在２１世纪，所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻找自己的有意义的生长点与发展面。光在自然界一直与人类亲密相伴，地球上若没有光也就没有生命，光与生命早已结下不解之缘。由于激光与光子技术的介入，近年来生物医学光学与光子学骤然兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科—生物医学光子学(BIO-MEDOPHOTONICS)。生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生的边缘学科。2004-12-820山东师范大学物理与电子科学学院前已研究开发和正在开发的光子技术主要领域有：（1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。（2）运算速度更快的光子计算机。（3）存储重大的光存储技术。（4）代替现行通信方式的光通信。（5）全息光技术2004-12-821山东师范大学物理与电子科学学院全息技术的典型代表—全息照相波前记录—用干涉法记录物光波波前再现—用衍射法再现物光波2004-12-822山东师范大学物理与电子科学学院什么是全息术？全息术（holography）是利用光的干涉和衍射原理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术。2004-12-823山东师范大学物理与电子科学学院全息发展简史

1948年

DennisGabor提出“波前重现”理论目的：改善电子显微镜的分辨率光源：汞灯效果：因光源相干性差，效果很不明显

1960年

激光器

问世，提供理想的相干光源

为全息技术的发展创造了条件

1962年

离轴全息图问世——E.N.Leith和J.Upatnieks

提出“斜参考光法”,

加速了全息术的发展

1962年U.Denisyuk提出反射全息图的方法；2004-12-824山东师范大学物理与电子科学学院1964年

Ar+Laser

问世——布里奇斯

氩离子激光器提供了短波长连续可见光，扩展了全息技术的应用范围

1965年R.L.鲍威尔，K.A.斯特特森提出全息干涉术；

1968年S.A.本顿发明彩虹全息术（白光全息术）；......40多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、艺术等领域几乎无所不及。2004-12-825山东师范大学物理与电子科学学院(3)、光子学的现状与未来目前的“光子学”与“电子学”并驾