绪论(激光物理进展)

主要内容绪论(激光物理进展)光的量子性光的相干性激光半经典理论原子与光场共振相互作用密度矩阵方法量子干涉效应共振荧光非线性光学：光学双稳、光散射、光学混频等量子信息等等第一页第二页，共29页。LaserPhysics

M.SargentIII,M.O.Scully,W.E.Lamb,Jr.,Addison-Wesley,Reading,MA:1974注:有中文译本．科学出版社主要教材与参考书QuantumOpticsM.O.ScullyandM.S.Zubairy,CambridgeUniversityPress,1997第二页第三页，共29页。TheQuantumTheoryofLight

(secondedition)RodneyLoudon，OxfordUniversityPress,1983注:１．有中文译本．高等教育出版社，于良译，1992年。《高等激光物理学》（李福利，高等教育出版社）《非线性光学》（李淳飞，哈尔滨工业大学出版社）第三页第四页，共29页。考核方式通过查阅书籍和文献，撰写课程论文，文字公式篇幅不少于5000字。第四页第五页，共29页。第一讲绪论第五页第六页，共29页。激光是20世纪人类值得骄傲的重大发明之一。激光具有极高的亮度：其亮度比太阳的亮度高l0万倍以上。有优良的单色性和相干性：单色性比最好的普通光源高出百万倍，相干长度可达数百千米，远好于其他光源。有较好的方向性：若将一束激光射向月球（地月距离约为40万千米），到达月球表明的光斑直径不会超过2千米。第六页第七页，共29页。激光物理学主要讨论激光与物质的相互作用问题，着重处理激光系统。1、熟悉激光的基本原理；2、了解应用和研究它的现状与前景；3、掌握经典理论、速率方程理论、半经典理论和量子理论等分析方法。第七页第八页，共29页。激光理论介绍经典理论将光视为经典电磁场，而把介质原子看作经典谐振子，其相互作用就是经典偶极子在光场中所作的强迫阻尼振荡，该模型简单直观，能解释某些实验现象。速率方程理论是关于光强与反转粒子数的方程，主要解决激光光强的特性以及与光强有直接关系的若干问题，如激光器的增益饱和、瞬态特性、调Q激光动力学、多模振荡及烧孔等。第八页第九页，共29页。半经典激光理论是把光看作经典电磁场，用麦克斯韦方程描述；把介质看作量子化的粒子系统，用薛定谔方程描述，由此建立起激光的电磁场方程即兰姆自洽场方程，描述腔内激光行为。全量子理论进一步将光场量子化，并计及量子起伏，已经顺利解决了半经典理论所不能解决的激光线宽、光子统计等问题。第九页第十页，共29页。一、激光诞生历史二、什么是激光三、原子吸收光和发射光理论四、产生激光的条件主要内容第十页第十一页，共29页。一、激光诞生历史AlbertEinstein，1905年,光量子理论（用这个量子理论解释著名的光电效应获Nobel奖，1921年）第十一页第十二页，共29页。激光的理论基础由爱因斯坦奠定。爱因斯坦在1916年研究辐射问题时发表了《关于辐射的量子理论》一文，详细研究了光与物质的相互作用过程，特别是吸收、自发辐射、受激辐射这三种基本作用形式，导出了著名的爱因斯坦关系式，使受激辐射理论上升到了定量的高度。第十二页第十三页，共29页。ClarlesH.Townes（美国）,NikolaiBasov,AleksanderM.Prokhorov（苏联）1954年实现氨分子微波量子振荡器（Maser），他们利用原子分子的受激辐射来放大电磁波，这一突破性进展为激光诞生铺平了道路。1964年获Nobel奖，表彰他们在量子电子学方面的基础研究。第十三页第十四页，共29页。ClarlesH.Townes,ArthurL.Schawlow决定将Maser原理推广到光频段，1958年提出利用尺度远大于光波波长的开放式谐振腔（基于早有的Fabry-Perot法布里－珀罗干涉仪）NicolaasBloembergen（美国）提出利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转的新构思，为微波激射器和激光器的发展指明了方向。第十四页第十五页，共29页。TheodoreH.Maimann,美国休斯研究实验室量子电子部的负责人，有用红宝石进行微波激射器研究的多年经验，经过200多天的艰苦奋斗，终于在1960年7月7日实现了世界上第一台激光器:红宝石固态激光器，从此宣告了激光时代的到来。（未获Nobel奖）第十五页第十六页，共29页。我国第一台固体红宝石激光器：1961年9月，王之江，中国科学院长春光机所我国第一台氦氖气体激光器：1963年7月，邓锡铭，中国科学院长春光机所第十六页第十七页，共29页。2001年：美国的埃里克·康奈尔、卡尔·维曼和德国的沃尔夫冈·克特勒，表彰他们对玻色爱因斯坦冷凝态的研究。1997年：美国的朱棣文、威廉·菲利普斯和法国的科恩·塔诺季，表彰他们在发展用激光冷却陷俘原子的方法方面所做的贡献。2005年：美国的罗伊•格劳伯，表彰其对“光学相干的量子理论”的贡献，美国的约翰•霍尔和德国的特奥多尔•亨施，表彰其“基于激光的精密光谱学”的贡献。近年基于激光应用的诺贝尔物理学奖第十七页第十八页，共29页。StevenChu,WillianD.Phillips,ClaudeCohen-Tannoudji发展了激光冷却和磁阱技术的有效制冷方法，利用激光将原子囚禁。1997年诺贝尔物理学奖第十八页第十九页，共29页。2001年诺贝尔物理学奖从左至右依次为ketterle,cornell,wieman1995年wieman和cornell（美国）将铷原子限制在磁阱中进行激光冷却首次成功观察到原子气的BEC现象，同年ketterle（德国）在钠原子气中实现了BEC。实现BEC（大量原子的行为像单个粒子一样不可区分）的苛刻条件：1、温度极低2、原子处于气态第十九页第二十页，共29页。相干性量子理论基于激光的精密光谱学RoyJ.GlauberJohnL.Hall，TheodorW.Hänsch2005年诺贝尔物理学奖第二十页第二十一页，共29页。

RoyJ.Glauber

（罗伊·格劳伯，1925年生）HarvardUniversity,Cambridge,MA,USA（马萨诸塞州的剑桥市）24岁从哈佛大学获得物理学博士学位提出了“相干性量子理论”（1963年），奠定了量子光学学科的理论基础，被誉为“量子光学之父”。第二十一页第二十二页，共29页。JohnL.Hall

（约翰·霍尔，1934年生）JILA,UniversityofColoradoandNationalInstituteofStandardsandTechnology,Boulder,CO,USA27岁时获得卡内基理工学院博士学位解决了实现光梳技术的最关键的实验难题（1973年）光梳技术可以精确测量各种颜色光的频率第二十二页第二十三页，共29页。TheodorW.Hänsch（特奥多尔·亨施，1942年生）Max-Planck-InstitutfürQuantenoptik,GarchingandLudwig-Maximilians-Universität,Munich,Germany提出精确测量光学频率的光梳技术概念和方法（1978年）28岁获得德国海德堡大学的博士学位第二十三页第二十四页，共29页。二、激光是什么？激光------Laser（Lase,lasing)------LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------利用受激辐射产生光放大第二十四页第二十五页，共29页。激光器：光波振荡器，强相干光源世界第一台激光器：1960年，Maimann我国第一台激光器：

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