換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件

——換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展王寧遠(yuǎn)中法班見微知著——換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展王寧遠(yuǎn)見微知著1源起運(yùn)動(dòng)絕對(duì)的，萬(wàn)物在變化中發(fā)展，這便是“易”中國(guó)古人認(rèn)為“生生之謂易”，并贊美“易”的理論是“易與天地準(zhǔn)，故能彌綸天地之道”。面對(duì)易的世界我們?nèi)绾螕茉埔娙铡床炝κ且匀藗兺瞥纭吧限裉斓?，下察民情，酌古?zhǔn)今，見微知著”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1901年首次頒發(fā)以來(lái)，一直受到物理學(xué)工作者的極大重視。對(duì)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的研究有屬于編年史研究；有側(cè)重于分析諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叩哪挲g結(jié)構(gòu)、國(guó)籍或研究領(lǐng)域；也有注重介紹獲獎(jiǎng)?wù)哓暙I(xiàn)等。很少有人從物理學(xué)某個(gè)分支學(xué)科的角度對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)的歷史進(jìn)行分析和討論

源起運(yùn)動(dòng)絕對(duì)的，萬(wàn)物在變化中發(fā)展，這便是“易”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2概述光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科，是物理學(xué)中一個(gè)重要的分支。通過(guò)分析100多年來(lái)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)我們發(fā)現(xiàn)：與光學(xué)直接或間接相關(guān)的獲獎(jiǎng)成果有40多項(xiàng)。這些獲獎(jiǎng)的光學(xué)研究工作對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展起到了非常重要的作用。特別值得一提的是無(wú)論是相對(duì)論還是量子力學(xué)的建立，都與光學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。例如：相對(duì)論的基本假定之一就是光速不變?cè)?；而量子力學(xué)的建立則是從對(duì)黑體輻射（普朗克）、氫原子的光譜結(jié)構(gòu)（玻爾）以及光電效應(yīng)（愛(ài)因斯坦）的討論開始的。概述光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科，是物理學(xué)中一個(gè)重要的分支。31百年諾貝爾獎(jiǎng)光學(xué)部分100多年來(lái)，光學(xué)的研究大多與光的相干性、量子性和非線性這三個(gè)范疇有關(guān)?？v觀與光學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)可以發(fā)現(xiàn)：99%的獲獎(jiǎng)工作集中在光的相干性和量子性（其中，有關(guān)光的量子性的研究近70%）。表1列出了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中與光學(xué)直接或間接相關(guān)的獲獎(jiǎng)工作、獲獎(jiǎng)?wù)咝彰?、獲獎(jiǎng)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(jiǎng)委員會(huì)的文件。1百年諾貝爾獎(jiǎng)光學(xué)部分100多年來(lái)，光學(xué)的研究大多與光的相4換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件5換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件6換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件7換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件8換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件92諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)的發(fā)展

從上述諾貝爾物理獎(jiǎng)光學(xué)部分簡(jiǎn)表中可以看出，19世紀(jì)以來(lái)，光學(xué)的發(fā)展有以下幾方面的特點(diǎn)：1）有關(guān)相干性的研究工作發(fā)展較早，獲獎(jiǎng)較少，基礎(chǔ)性強(qiáng)2）有關(guān)光的量子性的研究發(fā)展迅速，獲獎(jiǎng)較多，理論和實(shí)踐并行3）有關(guān)光的非線性的研究處于發(fā)展時(shí)期，尚未成熟，但有獲獎(jiǎng)潛力4）激光在光學(xué)研究中起著重要作用，光學(xué)與其他學(xué)科緊密結(jié)合，相互促進(jìn)，共同發(fā)展2諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)的發(fā)展從上述諾貝爾物理獎(jiǎng)光學(xué)部分簡(jiǎn)101）有關(guān)相干性的研究從17世紀(jì)起，人們逐步認(rèn)識(shí)到光的波動(dòng)性（相干性）。到19世紀(jì)初，研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，確證了光是電磁波。到了19世紀(jì)中后期，麥克斯韋建立起了完整的電磁理論，人們對(duì)光的相干性已經(jīng)有了相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)，初步的波動(dòng)光學(xué)體系己經(jīng)形成，許多基本的理論和實(shí)驗(yàn)方面的問(wèn)題都已解決。由于有關(guān)相干性的研究很大一部分是在20世紀(jì)之前完成的，那時(shí)還沒(méi)有設(shè)立諾貝爾獎(jiǎng)。因此，諾貝爾獎(jiǎng)中因光的相干性研究而獲獎(jiǎng)的數(shù)目較少。1）有關(guān)相干性的研究從17世紀(jì)起，人們逐步認(rèn)識(shí)到光的波動(dòng)性（1120世紀(jì)初，諾貝爾獎(jiǎng)剛剛設(shè)立，第一項(xiàng)得獎(jiǎng)的工作就是關(guān)于X射線的發(fā)現(xiàn)。此后仍有幾次獲獎(jiǎng)是有關(guān)X射線的工作，如關(guān)于晶體的X射線衍射（1914，1915）以及X射線衍射標(biāo)識(shí)譜（1917）的研究，因就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，這些工作更接近光的相干性范疇。此后，有關(guān)相干性方面的研究繼續(xù)發(fā)展，有不少工作獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中最具代表性的工作就是相襯理論的提出（澤尼克，1953年獲獎(jiǎng)），以及全息術(shù)的發(fā)明（伽博，1971年獲獎(jiǎng)）。這些獲獎(jiǎng)的工作大多是應(yīng)用型的。而全息術(shù)也是迄今為止諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中最后一次因光的純相干性工作而獲獎(jiǎng)的項(xiàng)目。20世紀(jì)初，諾貝爾獎(jiǎng)剛剛設(shè)立，第一項(xiàng)得獎(jiǎng)的工作就是關(guān)于X射線12

Lippmann'sandGabor'sRevolutionaryApproachtoImaging

AmongtheNobelPrizesinPhysics,twoscientistshavebeenhonoredfortheirremarkablemethodstorecordandpresentimages:GabrielLippmann,awardedin1908"forhismethodofreproducingcoloursphotographicallybasedonthephenomenonofinterference,"andDennisGabor,awardedin1971,"forhisinventionanddevelopmentoftheholographicmethod."Bothmethodshadthesame-goalofcarryingimagereproductionfurtherinawaythatwasquitedifferentfromotherearlierattemptsmadeforthesamepurpose.Toachievethis,LippmannandGaborchosearevolutionaryapproachtofundamentalphysicsinsteadoffollowinganevolutionaryprogressinengineering.Lippmann'sa131908年諾貝爾獎(jiǎng)得主加普里艾爾·李普曼與諾貝爾獎(jiǎng)得主1971年伽博所做發(fā)明都對(duì)照相術(shù)的提高做出了杰出貢獻(xiàn)，他們途徑雖然不同但都是應(yīng)用了光的相干性，可謂殊途同歸了，我們加以比較1908年諾貝爾獎(jiǎng)得主加普里艾爾·李普曼與諾貝爾獎(jiǎng)得主1914Lippmann'sRevolutionary

Lippmann'sRevolutionary15Gabor'sRevolutionaryGabor'sRevolutionary162）有關(guān)光的量子性的研究黑體輻射：維恩發(fā)現(xiàn)了熱輻射規(guī)律（1911年獲獎(jiǎng)）；普朗克提出了黑體輻射的量子理論，成功地解釋了黑體輻射問(wèn)題（1900年提出，1918年獲獎(jiǎng)）光電效應(yīng)：愛(ài)因斯坦提出了光量子理論，圓滿地解釋了光電效應(yīng)（1905年提出，1921年獲獎(jiǎng)）原子的離散光譜結(jié)構(gòu)：玻爾在原子結(jié)構(gòu)和原子輻射方面所做的研究，解釋了原子的離散光譜（1922年獲獎(jiǎng)）；康普頓發(fā)現(xiàn)了以其名字命名的康普頓效應(yīng)（1922年發(fā)現(xiàn)，1927年獲獎(jiǎng)）；德布羅意創(chuàng)立了物質(zhì)波學(xué)說(shuō)（1924年提出，1927年獲獎(jiǎng)）

這些工作成為推動(dòng)量子力學(xué)建立的直接因素。這段歷史也表明：量子力學(xué)的建立同光與物質(zhì)的相互作用的研究密不可分，而這也正是光的量子性研究的核心內(nèi)容。2）有關(guān)光的量子性的研究黑體輻射：維恩發(fā)現(xiàn)了熱輻射規(guī)律（1917最終，光的粒子性以及實(shí)物粒子波動(dòng)性的提出，使人們認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性。這段時(shí)期，隨著對(duì)波動(dòng)性（即相干性）認(rèn)識(shí)的不斷完善，人們對(duì)光的量子性表現(xiàn)出越來(lái)越大的興趣。有關(guān)光的量子性的理論促進(jìn)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的發(fā)展。如：1936，1937，1944，1955，1981和1986年的獲獎(jiǎng)工作均是與實(shí)際的儀器或應(yīng)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究占了很大的比例?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)光的量子性的研究使人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。同時(shí)還可以看出，相干性是量子性的重要基礎(chǔ)。量子性是人們對(duì)光的本質(zhì)在更高層次上的認(rèn)識(shí)，是光學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。最終，光的粒子性以及實(shí)物粒子波動(dòng)性的提出，使人們認(rèn)識(shí)到光具有18“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(dòng)量守恒）同時(shí)又巧妙地利用了光的相干性（例如：在SysiphusCooling中，利用兩束相反方向傳播的圓偏振光的相干疊加來(lái)獲得光學(xué)周期勢(shì)）。

激光冷卻技術(shù)的發(fā)明直接導(dǎo)致了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚這一著名理論論斷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（2001年獲獎(jiǎng)），這成為20世紀(jì)末物理學(xué)的重大突破之一“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19換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件20Thismechanicalactionoflightisusedinlasercoolingandtrappingtoreducethevelocityspreadforacollectionofatoms(cooling),ortoconfinetheatomsinasmallvolume(trapping).Toachievetrapping,thelightmustinduceaposition-dependentforceontheatoms(incontrasttocoolingwhichrequiresavelocity-dependentforce).Differenttypesofatomtraphavebeendesigned.ThemostoftenusedistheMagneto-OpticalTrap(MOT).InaMOT,trappingisaccomplishedwiththreepairsofcounter-propagatinglaserbeamsandaninhomogeneousmagneticfield.Acollectionofsodiumatoms(yellowdotinmiddleofpicture)trappedinaMOT.DecelerationofAtomsLightactsmechanicallyonmaterialobjects,whichmeansitcanchangetheirpositionsandvelocities.MOTThismechanicalactionofligh21Time-of-flightmethod

Thesixlaserbeamsareswitchedoff.Theatomcloudexpandsinawaydeterminedbyitstemperature,atthesametimeastheatomsfall.Theyfallthroughasheetoflaserlightandtheresultingfluorescenceisrecorded.Sincetheatomcloudhasexpandedthesignalhasatemporalspread.Bymeasuringthisspreadthetemperatureofthecloudcanbedetermined.Time-of-flightmethodThesix223）有關(guān)光的非線性的研究

非線性科學(xué)本身是整個(gè)物理學(xué)中的一個(gè)極為重要的部分，非線性是物質(zhì)世界中普遍存在的現(xiàn)象。非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)中的重要部分。然而，在有關(guān)光學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)中屬于非線性研究的工作卻是鳳毛磷角，只有Shaolow和Blombergen于1981年的獲獎(jiǎng)工作與此有關(guān)。這從某種程度上反映了有關(guān)光的非線性的研究是光學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)展較晚的一個(gè)分支目前還處于發(fā)展的時(shí)期，尚未達(dá)到高峰。非線性光學(xué)研究并不應(yīng)因?yàn)樗@獎(jiǎng)少而受到忽視。近年來(lái)，光學(xué)混頻及相位共軛等非線性效應(yīng)，無(wú)論是在基礎(chǔ)研究還是在應(yīng)用研究中都發(fā)揮了極為重要的作用。3）有關(guān)光的非線性的研究非線性科學(xué)本身是整個(gè)物理學(xué)中的一個(gè)23有關(guān)光的非線性現(xiàn)象的研究逐漸廣泛、深入地開展起來(lái)。例如：在自聚焦、相位共軛、多波混頻、光學(xué)參量放大及光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)等方面，都已形成一定的理論2世紀(jì)90年代以來(lái)，非線性光學(xué)的研究開始進(jìn)入飛秒?yún)^(qū)域、光通信領(lǐng)域等方面，并發(fā)揮著重要作用。值得注意的是，非線性光學(xué)研究中的絕大部分工作都是與相位匹配這一相干性中的基本問(wèn)題緊密相聯(lián)的。在不久的將來(lái)，一定會(huì)有一批關(guān)于光的非線性的相關(guān)研究工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為光學(xué)發(fā)展的新的里程碑。非線性光學(xué)的研究使人們更加深刻地認(rèn)識(shí)到光學(xué)現(xiàn)象的豐富性和復(fù)雜性。而對(duì)非線性的研究必然要涉及相當(dāng)多的相干性和量子性基礎(chǔ)。換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件24換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件254）激光在光學(xué)研究中起重要作用

在討論了諾貝爾獎(jiǎng)與三個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展之后，我們還可以從另一個(gè)角度來(lái)進(jìn)行討論。從以上分析中可以看出，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，激光在上述三個(gè)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(qiáng)等特點(diǎn)，而且激光本身就是相干性、量子性和非線性的集大成者。激光器是一個(gè)非平衡、非線性的系統(tǒng)，其輻射具有極好的相干性，而有關(guān)激光的很多現(xiàn)象都需要用全量子理論給予解釋。激光的出現(xiàn)給全息光學(xué)、量子光學(xué)、非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)等領(lǐng)域的研究帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。在第一臺(tái)激光器問(wèn)世后僅4年，Towns、Bassov、Pulokchlov由于在激光方面的貢獻(xiàn)于1964年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是全部諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中，獲獎(jiǎng)時(shí)間與所出成果的時(shí)間相隔最短的一次。4）激光在光學(xué)研究中起重要作用在討論了諾貝爾獎(jiǎng)與三個(gè)研究領(lǐng)26激光問(wèn)世之后，光學(xué)還與其他科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，相互滲透。全息技術(shù)已經(jīng)在顯微技術(shù)、信息存儲(chǔ)、信息編碼、紅外全息等方面得到了廣泛應(yīng)用在集成電路的啟示下，材料科學(xué)、電子技術(shù)和光學(xué)融合發(fā)展，形成了集成光學(xué)這一邊緣學(xué)科，在光通訊、信息處理等方面起到了很大的作用光子晶體以及量子信息的研究和發(fā)展將給信息技術(shù)開辟一個(gè)嶄新的天地。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光器的出現(xiàn)為超快過(guò)程、高階非線性效應(yīng)的研究提供了有效的研究手段。

激光問(wèn)世之后，光學(xué)還與其他科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，相互滲透。27近年來(lái)激光的應(yīng)用Thefinestcomb

（2005Nobel）JohnHallandTheodorH?nschhavemadeimportantcontributionsinthefieldofprecisionspectroscopythatmakeitpossibletomeasurethelightfrequencywithanaccuracyof15digits.Stablelaserswithextremecolourdefinitioncanbeconstructed,andthefrequencycombtechniqueenablesustomeasureextremelyaccuratelythefrequencyoflightofallcolours.Thisallowsustomeasurebothtimeanddistancemoreaccuratelythanbefore.近年來(lái)激光的應(yīng)用Thefinestcomb28Monolithicfrequencycombsonachip

Whereasnormallymodelockedlasersareusedasfrequencycombgenerators,anothermethodusingmonolithicmicroresonatorshasbeendevelopedinourgroupatMPQ[4].Thefrequencycombsareinducedinmicronsizesilicamicrotoroids[5](whichhaveapproximatelythediameterofahumanhair)bynonlinearopticalprocessesthatconvertpumplightthatissenttotheresonatorintosymmetricsidebandsaroundthepumpfrequency(Thedistancetothesidebandscorrespondstothefreespectralrangeofthemicrocavity,whichisbetween100GHzand1THzfordifferentmicrocavitysizes).Monolithicfrequencycombson29Supercontinuumgeneration

Supercontinuumgeneration303總結(jié)從分析100多年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中可以看出，自19世紀(jì)以來(lái),光學(xué)在相干性、量子性和非線性等方面都有很大的進(jìn)展。關(guān)于光的相干性和量子性的研究已取得了豐碩的成果。而關(guān)于非線性的研究已有了很好的基礎(chǔ)和研究手段，正處于快速發(fā)展的階段。我們有理由相信，一個(gè)輝煌的、集中反映非線性研究成果的時(shí)期將會(huì)到來(lái)。以上提出的看法，從一個(gè)新的角度探討了物理學(xué)發(fā)展過(guò)程的一個(gè)側(cè)面。我們希望在這方面展開更加深入的分析和討論。3總結(jié)從分析100多年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中可以看出，自19世紀(jì)31展望21世紀(jì)前景廣闊Figure1.a)ScanningelectronmicrographofamicrotoroidwithultrahighopticalandmechanicalQ.Lightcirculatesattherimofthetorus,whichisheldbyasilicadiscatthetipofasharpsiliconpillar.b)Opticallymeasuredspectrumofradiusfluctuationsoftheresonatoratroomtemperature(redline).Figure2.Genericoptomechanicalsystem.展望21世紀(jì)前景廣闊Figure1.a)Scannin32演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！33——換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展王寧遠(yuǎn)中法班見微知著——換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展王寧遠(yuǎn)見微知著34源起運(yùn)動(dòng)絕對(duì)的，萬(wàn)物在變化中發(fā)展，這便是“易”中國(guó)古人認(rèn)為“生生之謂易”，并贊美“易”的理論是“易與天地準(zhǔn)，故能彌綸天地之道”。面對(duì)易的世界我們?nèi)绾螕茉埔娙铡床炝κ且匀藗兺瞥纭吧限裉斓?，下察民情，酌古?zhǔn)今，見微知著”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1901年首次頒發(fā)以來(lái)，一直受到物理學(xué)工作者的極大重視。對(duì)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的研究有屬于編年史研究；有側(cè)重于分析諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叩哪挲g結(jié)構(gòu)、國(guó)籍或研究領(lǐng)域；也有注重介紹獲獎(jiǎng)?wù)哓暙I(xiàn)等。很少有人從物理學(xué)某個(gè)分支學(xué)科的角度對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)的歷史進(jìn)行分析和討論

源起運(yùn)動(dòng)絕對(duì)的，萬(wàn)物在變化中發(fā)展，這便是“易”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)35概述光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科，是物理學(xué)中一個(gè)重要的分支。通過(guò)分析100多年來(lái)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)我們發(fā)現(xiàn)：與光學(xué)直接或間接相關(guān)的獲獎(jiǎng)成果有40多項(xiàng)。這些獲獎(jiǎng)的光學(xué)研究工作對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展起到了非常重要的作用。特別值得一提的是無(wú)論是相對(duì)論還是量子力學(xué)的建立，都與光學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。例如：相對(duì)論的基本假定之一就是光速不變?cè)?；而量子力學(xué)的建立則是從對(duì)黑體輻射（普朗克）、氫原子的光譜結(jié)構(gòu)（玻爾）以及光電效應(yīng)（愛(ài)因斯坦）的討論開始的。概述光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科，是物理學(xué)中一個(gè)重要的分支。361百年諾貝爾獎(jiǎng)光學(xué)部分100多年來(lái)，光學(xué)的研究大多與光的相干性、量子性和非線性這三個(gè)范疇有關(guān)?？v觀與光學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)可以發(fā)現(xiàn)：99%的獲獎(jiǎng)工作集中在光的相干性和量子性（其中，有關(guān)光的量子性的研究近70%）。表1列出了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中與光學(xué)直接或間接相關(guān)的獲獎(jiǎng)工作、獲獎(jiǎng)?wù)咝彰@獎(jiǎng)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(jiǎng)委員會(huì)的文件。1百年諾貝爾獎(jiǎng)光學(xué)部分100多年來(lái)，光學(xué)的研究大多與光的相37換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件38換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件39換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件40換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件41換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件422諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)的發(fā)展

從上述諾貝爾物理獎(jiǎng)光學(xué)部分簡(jiǎn)表中可以看出，19世紀(jì)以來(lái)，光學(xué)的發(fā)展有以下幾方面的特點(diǎn)：1）有關(guān)相干性的研究工作發(fā)展較早，獲獎(jiǎng)較少，基礎(chǔ)性強(qiáng)2）有關(guān)光的量子性的研究發(fā)展迅速，獲獎(jiǎng)較多，理論和實(shí)踐并行3）有關(guān)光的非線性的研究處于發(fā)展時(shí)期，尚未成熟，但有獲獎(jiǎng)潛力4）激光在光學(xué)研究中起著重要作用，光學(xué)與其他學(xué)科緊密結(jié)合，相互促進(jìn)，共同發(fā)展2諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)的發(fā)展從上述諾貝爾物理獎(jiǎng)光學(xué)部分簡(jiǎn)431）有關(guān)相干性的研究從17世紀(jì)起，人們逐步認(rèn)識(shí)到光的波動(dòng)性（相干性）。到19世紀(jì)初，研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，確證了光是電磁波。到了19世紀(jì)中后期，麥克斯韋建立起了完整的電磁理論，人們對(duì)光的相干性已經(jīng)有了相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)，初步的波動(dòng)光學(xué)體系己經(jīng)形成，許多基本的理論和實(shí)驗(yàn)方面的問(wèn)題都已解決。由于有關(guān)相干性的研究很大一部分是在20世紀(jì)之前完成的，那時(shí)還沒(méi)有設(shè)立諾貝爾獎(jiǎng)。因此，諾貝爾獎(jiǎng)中因光的相干性研究而獲獎(jiǎng)的數(shù)目較少。1）有關(guān)相干性的研究從17世紀(jì)起，人們逐步認(rèn)識(shí)到光的波動(dòng)性（4420世紀(jì)初，諾貝爾獎(jiǎng)剛剛設(shè)立，第一項(xiàng)得獎(jiǎng)的工作就是關(guān)于X射線的發(fā)現(xiàn)。此后仍有幾次獲獎(jiǎng)是有關(guān)X射線的工作，如關(guān)于晶體的X射線衍射（1914，1915）以及X射線衍射標(biāo)識(shí)譜（1917）的研究，因就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，這些工作更接近光的相干性范疇。此后，有關(guān)相干性方面的研究繼續(xù)發(fā)展，有不少工作獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中最具代表性的工作就是相襯理論的提出（澤尼克，1953年獲獎(jiǎng)），以及全息術(shù)的發(fā)明（伽博，1971年獲獎(jiǎng)）。這些獲獎(jiǎng)的工作大多是應(yīng)用型的。而全息術(shù)也是迄今為止諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中最后一次因光的純相干性工作而獲獎(jiǎng)的項(xiàng)目。20世紀(jì)初，諾貝爾獎(jiǎng)剛剛設(shè)立，第一項(xiàng)得獎(jiǎng)的工作就是關(guān)于X射線45

Lippmann'sandGabor'sRevolutionaryApproachtoImaging

AmongtheNobelPrizesinPhysics,twoscientistshavebeenhonoredfortheirremarkablemethodstorecordandpresentimages:GabrielLippmann,awardedin1908"forhismethodofreproducingcoloursphotographicallybasedonthephenomenonofinterference,"andDennisGabor,awardedin1971,"forhisinventionanddevelopmentoftheholographicmethod."Bothmethodshadthesame-goalofcarryingimagereproductionfurtherinawaythatwasquitedifferentfromotherearlierattemptsmadeforthesamepurpose.Toachievethis,LippmannandGaborchosearevolutionaryapproachtofundamentalphysicsinsteadoffollowinganevolutionaryprogressinengineering.Lippmann'sa461908年諾貝爾獎(jiǎng)得主加普里艾爾·李普曼與諾貝爾獎(jiǎng)得主1971年伽博所做發(fā)明都對(duì)照相術(shù)的提高做出了杰出貢獻(xiàn)，他們途徑雖然不同但都是應(yīng)用了光的相干性，可謂殊途同歸了，我們加以比較1908年諾貝爾獎(jiǎng)得主加普里艾爾·李普曼與諾貝爾獎(jiǎng)得主1947Lippmann'sRevolutionary

Lippmann'sRevolutionary48Gabor'sRevolutionaryGabor'sRevolutionary492）有關(guān)光的量子性的研究黑體輻射：維恩發(fā)現(xiàn)了熱輻射規(guī)律（1911年獲獎(jiǎng)）；普朗克提出了黑體輻射的量子理論，成功地解釋了黑體輻射問(wèn)題（1900年提出，1918年獲獎(jiǎng)）光電效應(yīng)：愛(ài)因斯坦提出了光量子理論，圓滿地解釋了光電效應(yīng)（1905年提出，1921年獲獎(jiǎng)）原子的離散光譜結(jié)構(gòu)：玻爾在原子結(jié)構(gòu)和原子輻射方面所做的研究，解釋了原子的離散光譜（1922年獲獎(jiǎng)）；康普頓發(fā)現(xiàn)了以其名字命名的康普頓效應(yīng)（1922年發(fā)現(xiàn)，1927年獲獎(jiǎng)）；德布羅意創(chuàng)立了物質(zhì)波學(xué)說(shuō)（1924年提出，1927年獲獎(jiǎng)）

這些工作成為推動(dòng)量子力學(xué)建立的直接因素。這段歷史也表明：量子力學(xué)的建立同光與物質(zhì)的相互作用的研究密不可分，而這也正是光的量子性研究的核心內(nèi)容。2）有關(guān)光的量子性的研究黑體輻射：維恩發(fā)現(xiàn)了熱輻射規(guī)律（1950最終，光的粒子性以及實(shí)物粒子波動(dòng)性的提出，使人們認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性。這段時(shí)期，隨著對(duì)波動(dòng)性（即相干性）認(rèn)識(shí)的不斷完善，人們對(duì)光的量子性表現(xiàn)出越來(lái)越大的興趣。有關(guān)光的量子性的理論促進(jìn)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的發(fā)展。如：1936，1937，1944，1955，1981和1986年的獲獎(jiǎng)工作均是與實(shí)際的儀器或應(yīng)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究占了很大的比例?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)光的量子性的研究使人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。同時(shí)還可以看出，相干性是量子性的重要基礎(chǔ)。量子性是人們對(duì)光的本質(zhì)在更高層次上的認(rèn)識(shí)，是光學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。最終，光的粒子性以及實(shí)物粒子波動(dòng)性的提出，使人們認(rèn)識(shí)到光具有51“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(dòng)量守恒）同時(shí)又巧妙地利用了光的相干性（例如：在SysiphusCooling中，利用兩束相反方向傳播的圓偏振光的相干疊加來(lái)獲得光學(xué)周期勢(shì)）。

激光冷卻技術(shù)的發(fā)明直接導(dǎo)致了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚這一著名理論論斷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（2001年獲獎(jiǎng)），這成為20世紀(jì)末物理學(xué)的重大突破之一“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52換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件53Thismechanicalactionoflightisusedinlasercoolingandtrappingtoreducethevelocityspreadforacollectionofatoms(cooling),ortoconfinetheatomsinasmallvolume(trapping).Toachievetrapping,thelightmustinduceaposition-dependentforceontheatoms(incontrasttocoolingwhichrequiresavelocity-dependentforce).Differenttypesofatomtraphavebeendesigned.ThemostoftenusedistheMagneto-OpticalTrap(MOT).InaMOT,trappingisaccomplishedwiththreepairsofcounter-propagatinglaserbeamsandaninhomogeneousmagneticfield.Acollectionofsodiumatoms(yellowdotinmiddleofpicture)trappedinaMOT.DecelerationofAtomsLightactsmechanicallyonmaterialobjects,whichmeansitcanchangetheirpositionsandvelocities.MOTThismechanicalactionofligh54Time-of-flightmethod

Thesixlaserbeamsareswitchedoff.Theatomcloudexpandsinawaydeterminedbyitstemperature,atthesametimeastheatomsfall.Theyfallthroughasheetoflaserlightandtheresultingfluorescenceisrecorded.Sincetheatomcloudhasexpandedthesignalhasatemporalspread.Bymeasuringthisspreadthetemperatureofthecloudcanbedetermined.Time-of-flightmethodThesix553）有關(guān)光的非線性的研究

非線性科學(xué)本身是整個(gè)物理學(xué)中的一個(gè)極為重要的部分，非線性是物質(zhì)世界中普遍存在的現(xiàn)象。非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)中的重要部分。然而，在有關(guān)光學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)中屬于非線性研究的工作卻是鳳毛磷角，只有Shaolow和Blombergen于1981年的獲獎(jiǎng)工作與此有關(guān)。這從某種程度上反映了有關(guān)光的非線性的研究是光學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)展較晚的一個(gè)分支目前還處于發(fā)展的時(shí)期，尚未達(dá)到高峰。非線性光學(xué)研究并不應(yīng)因?yàn)樗@獎(jiǎng)少而受到忽視。近年來(lái)，光學(xué)混頻及相位共軛等非線性效應(yīng)，無(wú)論是在基礎(chǔ)研究還是在應(yīng)用研究中都發(fā)揮了極為重要的作用。3）有關(guān)光的非線性的研究非線性科學(xué)本身是整個(gè)物理學(xué)中的一個(gè)56有關(guān)光的非線性現(xiàn)象的研究逐漸廣泛、深入地開展起來(lái)。例如：在自聚焦、相位共軛、多波混頻、光學(xué)參量放大及光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)等方面，都已形成一定的理論2世紀(jì)90年代以來(lái)，非線性光學(xué)的研究開始進(jìn)入飛秒?yún)^(qū)域、光通信領(lǐng)域等方面，并發(fā)揮著重要作用。值得注意的是，非線性光學(xué)研究中的絕大部分工作都是與相位匹配這一相干性中的基本問(wèn)題緊密相聯(lián)的。在不久的將來(lái)，一定會(huì)有一批關(guān)于光的非線性的相關(guān)研究工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為光學(xué)發(fā)展的新的里程碑。非線性光學(xué)的研究使人們更加深刻地認(rèn)識(shí)到光學(xué)現(xiàn)象的豐富性和復(fù)雜性。而對(duì)非線性的研究必然要涉及相當(dāng)多的相干性和量子性基礎(chǔ)。換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件57換個(gè)視角看光學(xué)發(fā)展課件584）激光在光學(xué)研究中起重要作用

在討論了諾貝爾獎(jiǎng)與三個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展之后，我們還可以從另一個(gè)角度來(lái)進(jìn)行討論。從以上分析中可以看出，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，激光在上述三個(gè)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(qiáng)等特點(diǎn)，而且激光本身就是相干性、量子性和非線性的集大成者。激光器是一個(gè)非平衡、非線性的系統(tǒng)，其輻射具有極好的相干性，而有關(guān)激光的很多現(xiàn)象都需要用全量子理論給予解釋。激光的出現(xiàn)給全息光學(xué)、量子光學(xué)、非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)等領(lǐng)域的研究帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。在第一臺(tái)激光器問(wèn)世后僅4年，Towns、Bassov、Pulokchlov由于在激光方面的貢獻(xiàn)于1964年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是全部諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中，獲獎(jiǎng)時(shí)間與所出成果的時(shí)間相隔最短的一次。4）激光在光學(xué)研究中起重要作用在討論了諾貝爾獎(jiǎng)與三個(gè)研究領(lǐng)59激光問(wèn)世之后，光學(xué)還與其他科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，相互滲透。全息技術(shù)已經(jīng)在顯微技術(shù)、信息存儲(chǔ)、信息編碼、紅外全息等方面得到了廣泛應(yīng)用在集成電路的啟示下，材料科學(xué)、電子技術(shù)和光學(xué)融合發(fā)展，形成了集成光學(xué)這一邊緣學(xué)科，在光通訊、信息處理等方面起到了很大的作用光子晶體以及量子信息的研究和發(fā)展將給信息技術(shù)開辟一個(gè)嶄新的天地。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光器的出現(xiàn)為超快過(guò)程、高階非線性效應(yīng)的研究提供了有效的研究手段。

激光問(wèn)世之后，光學(xué)還與其他科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，相互滲透。60近年來(lái)激光的應(yīng)用Thefinestcomb

（2005Nobel）JohnHallandTheodorH?nschhavemadeimportantcontributionsinthefieldofprecisionspectroscopythatmakeitpossibletomeasurethelightfrequencywithanaccuracyof15digits.Stablelaserswithextremecolourdefinitioncanbeconstructed,andthefrequencycombtechn