——換個視角看光學發(fā)展ppt課件

1、換個視角看光學開展王寧遠中法班見微知著.源起運動絕對的，萬物在變化中開展，這便是“易中國古人以為“生生之謂易，并贊譽“易的實際是“易與天地準，故能彌綸天地之道。 面對易的世界我們?nèi)绾螕茉埔娙斩床炝κ且匀藗兺瞥纭吧限裉斓?，下察民情，酌古準今，見微知著諾貝爾物理學獎1901年初次頒發(fā)以來，不斷遭到物理學任務者的極大注重。對諾貝爾物理學獎的研討有屬于編年史研討；有偏重于分析諾貝爾獎獲獎者的年齡構(gòu)造、國籍或研討領(lǐng)域；也有注重引見獲獎者奉獻等。很少有人從物理學某個分支學科的角度對諾貝爾獎的歷史進展分析和討論 .概述光學是一門既古老又年輕的學科，是物理學中一個重要的分支。經(jīng)過分析100多年來的諾貝爾物理學

2、獎我們發(fā)現(xiàn)：與光學直接或間接相關(guān)的獲獎成果有40多項。這些獲獎的光學研討任務對于物理學的開展起到了非常重要的作用。特別值得一提的是無論是相對論還是量子力學的建立，都與光學的開展親密相關(guān)。例如：相對論的根本假定之一就是光速不變原理；而量子力學的建立那么是從對黑體輻射普朗克、氫原子的光譜構(gòu)造玻爾以及光電效應愛因斯坦的討論開場的。.1 百年諾貝爾獎光學部分100多年來，光學的研討大多與光的相關(guān)性、量子性和非線性這三個范疇有關(guān)?？v觀與光學相關(guān)的諾貝爾物理學獎可以發(fā)現(xiàn)：99%的獲獎任務集中在光的相關(guān)性和量子性其中，有關(guān)光的量子性的研討近70%。表1列出了諾貝爾物理學獎中與光學直接或間接相關(guān)的獲獎任務、獲

3、獎者姓名、獲獎年份及所屬范疇表中的內(nèi)容除第五列范疇外全部摘自諾貝爾獎委員會的文件。.2 諾貝爾獎與光學的開展 從上述諾貝爾物理獎光學部分簡表中可以看出，19世紀以來，光學的開展有以下幾方面的特點：1有關(guān)相關(guān)性的研討任務開展較早，獲獎較少，根底性強 2有關(guān)光的量子性的研討開展迅速，獲獎較多，實際和實際并行3有關(guān)光的非線性的研討處于開展時期，尚未成熟，但有獲獎潛力4激光在光學研討中起著重要作用，光學與其他學科嚴密結(jié)合，相互促進，共同開展.1有關(guān)相關(guān)性的研討從17世紀起，人們逐漸認識到光的動搖性相關(guān)性。到19世紀初，研討者們曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光的干涉、衍射、偏振等景象，確證了光是電磁波。到了19世紀中后期，

4、麥克斯韋建立起了完好的電磁實際，人們對光的相關(guān)性曾經(jīng)有了相當深化的認識，初步的動搖光學體系己經(jīng)構(gòu)成，許多根本的實際和實驗方面的問題都已處理。由于有關(guān)相關(guān)性的研討很大一部分是在20世紀之前完成的，那時還沒有設(shè)立諾貝爾獎。因此，諾貝爾獎中因光的相關(guān)性研討而獲獎的數(shù)目較少。.20世紀初，諾貝爾獎剛剛設(shè)立，第一項得獎的任務就是關(guān)于X射線的發(fā)現(xiàn)。以后仍有幾次獲獎是有關(guān)X射線的任務，如關(guān)于晶體的X射線衍射1914，1915以及X射線衍射標識譜1917的研討，因就其本質(zhì)來說，這些任務更接近光的相關(guān)性范疇。以后，有關(guān)相關(guān)性方面的研討繼續(xù)開展，有不少任務獲得了諾貝爾物理學獎。其中最具代表性的任務就是相襯實際的提

5、出澤尼克，1953年獲獎，以及全息術(shù)的發(fā)明伽博，1971年獲獎。這些獲獎的任務大多是運用型的。而全息術(shù)也是迄今為止諾貝爾物理學獎中最后一次因光的純相關(guān)性任務而獲獎的工程。. Lippmanns and Gabors Revolutionary Approach to Imaging Among the Nobel Prizes in Physics, two scientists have been honored for their remarkable methods to record and present images: Gabriel Lippmann, awarded in 19

6、08 for his method of reproducing colours photographically based on the phenomenon of interference, and Dennis Gabor, awarded in 1971, for his invention and development of the holographic method. Both methods had the same-goal of carrying image reproduction further in a way that was quite different f

7、rom other earlier attempts made for the same purpose. To achieve this, Lippmann and Gabor chose a revolutionary approach to fundamental physics instead of following an evolutionary progress in engineering. .1908年諾貝爾獎得主加普里艾爾 李普曼與諾貝爾獎得主1971年伽博所做發(fā)明都對照相術(shù)的提高做出了出色奉獻，他們途徑雖然不同但都是運用了光的相關(guān)性，可謂殊途同歸了，我們加以比較.Lipp

8、manns Revolutionary .Gabors Revolutionary.2有關(guān)光的量子性的研討黑體輻射：維恩發(fā)現(xiàn)了熱輻射規(guī)律1911年獲獎；普朗克提出了黑體輻射的量子實際，勝利地解釋了黑體輻射問題1900年提出，1918年獲獎 光電效應：愛因斯坦提出了光量子實際，圓滿地解釋了光電效應1905年提出，1921年獲獎 原子的離散光譜構(gòu)造：玻爾在原子構(gòu)造和原子輻射方面所做的研討，解釋了原子的離散光譜1922年獲獎；康普頓發(fā)現(xiàn)了以其名字命名的康普頓效應1922年發(fā)現(xiàn)，1927年獲獎；德布羅意創(chuàng)建了物質(zhì)波學說1924年提出，1927年獲獎 這些任務成為推進量子力學建立的直接要素。這段歷史也闡

9、明：量子力學的建立同光與物質(zhì)的相互作用的研討密不可分，而這也正是光的量子性研討的中心內(nèi)容。 .最終，光的粒子性以及實物粒子動搖性的提出，使人們認識到光具有波粒二象性。這段時期，隨著對動搖性即相關(guān)性認識的不斷完善，人們對光的量子性表現(xiàn)出越來越大的興趣。有關(guān)光的量子性的實際促進了相應的實驗和運用的開展。如：1936，1937，1944，1955，1981和1986年的獲獎任務均是與實踐的儀器或運用有關(guān)的。其中，有關(guān)微觀粒子的光譜或能譜等方面的研討占了很大的比例。 總的來說，對光的量子性的研討使人們對光的本性的認識產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。同時還可以看出，相關(guān)性是量子性的重要根底。量子性是人們對光的本質(zhì)在更高

10、層次上的認識，是光學開展的必然結(jié)果。.“激光冷卻 頗具代表性的創(chuàng)新 激光冷卻在光與物質(zhì)的相互作用中，充分利用了光的量子性光子與被冷卻粒子所構(gòu)成系統(tǒng)的動量守恒同時又巧妙地利用了光的相關(guān)性例如：在Sysiphus Cooling中，利用兩束相反方向傳播的圓偏振光的相關(guān)疊加來獲得光學周期勢。 激光冷卻技術(shù)的發(fā)明直接導致了玻色-愛因斯坦凝聚這一著名實際結(jié)論的實驗驗證2001年獲獎，這成為20世紀末物理學的艱苦突破之一 .This mechanical action of light is used in laser cooling and trapping to reduce the velocity

11、 spread for a collection of atoms (cooling), or to confine the atoms in a small volume (trapping).To achieve trapping, the light must induce a position-dependent force on the atoms (in contrast to cooling which requires a velocity-dependent force). Different types of atom trap have been designed. Th

12、e most often used is the Magneto-Optical Trap (MOT). In a MOT, trapping is accomplished with three pairs of counter-propagating laser beams and an inhomogeneous magnetic field.A collection of sodium atoms (yellow dot in middle of picture) trapped in a MOT.Deceleration of AtomsLight acts mechanically

13、 on material objects, which means it can change their positions and velocities.MOT.Time-of-flight method The six laser beams are switched off. The atom cloud expands in a way determined by its temperature, at the same time as the atoms fall. They fall through a sheet of laser light and the resulting

14、 fluorescence is recorded. Since the atom cloud has expanded the signal has a temporal spread. By measuring this spread the temperature of the cloud can be determined.3有關(guān)光的非線性的研討 非線性科學本身是整個物理學中的一個極為重要的部分，非線性是物質(zhì)世界中普遍存在的景象。非線性光學是現(xiàn)代光學中的重要部分。 然而，在有關(guān)光學的諾貝爾獎中屬于非線性研討的任務卻是鳳毛磷角，只需Shaolow和Blombergen于1981年的獲獎任

15、務與此有關(guān)。這從某種程度上反映了有關(guān)光的非線性的研討是光學研討領(lǐng)域中開展較晚的一個分支目前還處于開展的時期，尚未到達頂峰。非線性光學研討并不應由于它獲獎少而遭到忽視。近年來，光學混頻及相位共軛等非線性效應，無論是在根底研討還是在運用研討中都發(fā)揚了極為重要的作用。.有關(guān)光的非線性景象的研討逐漸廣泛、深化地開展起來。例如：在自聚焦、相位共軛、多波混頻、光學參量放大及光學雙穩(wěn)態(tài)等方面，都已構(gòu)成一定的實際 2世紀90年代以來，非線性光學的研討開場進入飛秒?yún)^(qū)域、光通訊領(lǐng)域等方面，并發(fā)揚著重要作用。值得留意的是，非線性光學研討中的絕大部分任務都是與相位匹配這一相關(guān)性中的根本問題嚴密相聯(lián)的。 在不久的未來，

16、一定會有一批關(guān)于光的非線性的相關(guān)研討任務獲得諾貝爾物理學獎，成為光學開展的新的里程碑。非線性光學的研討使人們更加深化地認識到光學景象的豐富性和復雜性。而對非線性的研討必然要涉及相當多的相關(guān)性和量子性根底。.4激光在光學研討中起重要作用 在討論了諾貝爾獎與三個研討領(lǐng)域的開展之后，我們還可以從另一個角度來進展討論。從以上分析中可以看出，近半個世紀以來，激光在上述三個領(lǐng)域中都起著至關(guān)重要的作用。激光作為一種新型光源，不僅具有亮度高、單色性好、方向性強等特點，而且激光本身就是相關(guān)性、量子性和非線性的集大成者。 激光器是一個非平衡、非線性的系統(tǒng)，其輻射具有極好的相關(guān)性，而有關(guān)激光的很多景象都需求用全量子

17、實際給予解釋。激光的出現(xiàn)給全息光學、量子光學、非線性光學、激光光譜學等領(lǐng)域的研討帶來了深遠的影響。 在第一臺激光器問世后僅4年，Towns、Bassov、Pulokchlov由于在激光方面的奉獻于1964年獲得諾貝爾物理學獎。這是全部諾貝爾物理學獎中，獲獎時間與所出成果的時間相隔最短的一次。.激光問世之后，光學還與其他科學技術(shù)嚴密結(jié)合，相互浸透。全息技術(shù)曾經(jīng)在顯微技術(shù)、信息存儲、信息編碼、紅外全息等方面得到了廣泛運用 在集成電路的啟示下，資料科學、電子技術(shù)和光學交融開展，構(gòu)成了集成光學這一邊緣學科，在光通訊、信息處置等方面起到了很大的作用 光子晶體以及量子信息的研討和開展將給信息技術(shù)開辟一個嶄

18、新的天地。隨著激光技術(shù)的開展，飛秒激光器的出現(xiàn)為超快過程、高階非線性效應的研討提供了有效的研討手段。 .近年來激光的運用The finest comb 2005NobelJohn Hall and TheodorHnsch have made important contributions in the field of precision spectroscopy that make it possible to measure the light frequency with an accuracy of 15 digits. Stable lasers with extreme colo

19、ur definition can be constructed, and the frequency comb technique enables us to measure extremely accurately the frequency of light of all colours. This allows us to measure both time and distance more accurately than before.Monolithic frequency combs on a chip Whereas normally mode locked lasers a

20、re used as frequency comb generators, another method using monolithic microresonators has been developed in our group at MPQ 4. The frequency combs are induced in micron size silica microtoroids 5 (which have approximately the diameter of a human hair) by nonlinear optical processes that convert pump light that is sent to the resonator into symmetric sidebands around the pump frequency (The distance to the sidebands corresponds to the free spectral range o