緒論(激光物理進(jìn)展)

主要內(nèi)容緒論(激光物理進(jìn)展)光的量子性光的相干性激光半經(jīng)典理論原子與光場共振相互作用密度矩陣方法量子干涉效應(yīng)共振熒光非線性光學(xué)：光學(xué)雙穩(wěn)、光散射、光學(xué)混頻等量子信息等等第一頁第二頁，共29頁。LaserPhysics

M.SargentIII,M.O.Scully,W.E.Lamb,Jr.,Addison-Wesley,Reading,MA:1974注:有中文譯本．科學(xué)出版社主要教材與參考書QuantumOpticsM.O.ScullyandM.S.Zubairy,CambridgeUniversityPress,1997第二頁第三頁，共29頁。TheQuantumTheoryofLight

(secondedition)RodneyLoudon，OxfordUniversityPress,1983注:１．有中文譯本．高等教育出版社，于良譯，1992年?！陡叩燃す馕锢韺W(xué)》（李福利，高等教育出版社）《非線性光學(xué)》（李淳飛，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社）第三頁第四頁，共29頁?？己朔绞酵ㄟ^查閱書籍和文獻(xiàn)，撰寫課程論文，文字公式篇幅不少于5000字。第四頁第五頁，共29頁。第一講緒論第五頁第六頁，共29頁。激光是20世紀(jì)人類值得驕傲的重大發(fā)明之一。激光具有極高的亮度：其亮度比太陽的亮度高l0萬倍以上。有優(yōu)良的單色性和相干性：單色性比最好的普通光源高出百萬倍，相干長度可達(dá)數(shù)百千米，遠(yuǎn)好于其他光源。有較好的方向性：若將一束激光射向月球（地月距離約為40萬千米），到達(dá)月球表明的光斑直徑不會(huì)超過2千米。第六頁第七頁，共29頁。激光物理學(xué)主要討論激光與物質(zhì)的相互作用問題，著重處理激光系統(tǒng)。1、熟悉激光的基本原理；2、了解應(yīng)用和研究它的現(xiàn)狀與前景；3、掌握經(jīng)典理論、速率方程理論、半經(jīng)典理論和量子理論等分析方法。第七頁第八頁，共29頁。激光理論介紹經(jīng)典理論將光視為經(jīng)典電磁場，而把介質(zhì)原子看作經(jīng)典諧振子，其相互作用就是經(jīng)典偶極子在光場中所作的強(qiáng)迫阻尼振蕩，該模型簡單直觀，能解釋某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。速率方程理論是關(guān)于光強(qiáng)與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的方程，主要解決激光光強(qiáng)的特性以及與光強(qiáng)有直接關(guān)系的若干問題，如激光器的增益飽和、瞬態(tài)特性、調(diào)Q激光動(dòng)力學(xué)、多模振蕩及燒孔等。第八頁第九頁，共29頁。半經(jīng)典激光理論是把光看作經(jīng)典電磁場，用麥克斯韋方程描述；把介質(zhì)看作量子化的粒子系統(tǒng)，用薛定諤方程描述，由此建立起激光的電磁場方程即蘭姆自洽場方程，描述腔內(nèi)激光行為。全量子理論進(jìn)一步將光場量子化，并計(jì)及量子起伏，已經(jīng)順利解決了半經(jīng)典理論所不能解決的激光線寬、光子統(tǒng)計(jì)等問題。第九頁第十頁，共29頁。一、激光誕生歷史二、什么是激光三、原子吸收光和發(fā)射光理論四、產(chǎn)生激光的條件主要內(nèi)容第十頁第十一頁，共29頁。一、激光誕生歷史AlbertEinstein，1905年,光量子理論（用這個(gè)量子理論解釋著名的光電效應(yīng)獲Nobel獎(jiǎng)，1921年）第十一頁第十二頁，共29頁。激光的理論基礎(chǔ)由愛因斯坦奠定。愛因斯坦在1916年研究輻射問題時(shí)發(fā)表了《關(guān)于輻射的量子理論》一文，詳細(xì)研究了光與物質(zhì)的相互作用過程，特別是吸收、自發(fā)輻射、受激輻射這三種基本作用形式，導(dǎo)出了著名的愛因斯坦關(guān)系式，使受激輻射理論上升到了定量的高度。第十二頁第十三頁，共29頁。ClarlesH.Townes（美國）,NikolaiBasov,AleksanderM.Prokhorov（蘇聯(lián)）1954年實(shí)現(xiàn)氨分子微波量子振蕩器（Maser），他們利用原子分子的受激輻射來放大電磁波，這一突破性進(jìn)展為激光誕生鋪平了道路。1964年獲Nobel獎(jiǎng)，表彰他們?cè)诹孔与娮訉W(xué)方面的基礎(chǔ)研究。第十三頁第十四頁，共29頁。ClarlesH.Townes,ArthurL.Schawlow決定將Maser原理推廣到光頻段，1958年提出利用尺度遠(yuǎn)大于光波波長的開放式諧振腔（基于早有的Fabry-Perot法布里－珀羅干涉儀）NicolaasBloembergen（美國）提出利用光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原子數(shù)反轉(zhuǎn)的新構(gòu)思，為微波激射器和激光器的發(fā)展指明了方向。第十四頁第十五頁，共29頁。TheodoreH.Maimann,美國休斯研究實(shí)驗(yàn)室量子電子部的負(fù)責(zé)人，有用紅寶石進(jìn)行微波激射器研究的多年經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過200多天的艱苦奮斗，終于在1960年7月7日實(shí)現(xiàn)了世界上第一臺(tái)激光器:紅寶石固態(tài)激光器，從此宣告了激光時(shí)代的到來。（未獲Nobel獎(jiǎng)）第十五頁第十六頁，共29頁。我國第一臺(tái)固體紅寶石激光器：1961年9月，王之江，中國科學(xué)院長春光機(jī)所我國第一臺(tái)氦氖氣體激光器：1963年7月，鄧錫銘，中國科學(xué)院長春光機(jī)所第十六頁第十七頁，共29頁。2001年：美國的埃里克·康奈爾、卡爾·維曼和德國的沃爾夫?qū)た颂乩?，表彰他們?duì)玻色愛因斯坦冷凝態(tài)的研究。1997年：美國的朱棣文、威廉·菲利普斯和法國的科恩·塔諾季，表彰他們?cè)诎l(fā)展用激光冷卻陷俘原子的方法方面所做的貢獻(xiàn)。2005年：美國的羅伊?格勞伯，表彰其對(duì)“光學(xué)相干的量子理論”的貢獻(xiàn)，美國的約翰?霍爾和德國的特奧多爾?亨施，表彰其“基于激光的精密光譜學(xué)”的貢獻(xiàn)。近年基于激光應(yīng)用的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第十七頁第十八頁，共29頁。StevenChu,WillianD.Phillips,ClaudeCohen-Tannoudji發(fā)展了激光冷卻和磁阱技術(shù)的有效制冷方法，利用激光將原子囚禁。1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第十八頁第十九頁，共29頁。2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)從左至右依次為ketterle,cornell,wieman1995年wieman和cornell（美國）將銣原子限制在磁阱中進(jìn)行激光冷卻首次成功觀察到原子氣的BEC現(xiàn)象，同年ketterle（德國）在鈉原子氣中實(shí)現(xiàn)了BEC。實(shí)現(xiàn)BEC（大量原子的行為像單個(gè)粒子一樣不可區(qū)分）的苛刻條件：1、溫度極低2、原子處于氣態(tài)第十九頁第二十頁，共29頁。相干性量子理論基于激光的精密光譜學(xué)RoyJ.GlauberJohnL.Hall，TheodorW.H?nsch2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第二十頁第二十一頁，共29頁。

RoyJ.Glauber

（羅伊·格勞伯，1925年生）HarvardUniversity,Cambridge,MA,USA（馬薩諸塞州的劍橋市）24歲從哈佛大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位提出了“相干性量子理論”（1963年），奠定了量子光學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)，被譽(yù)為“量子光學(xué)之父”。第二十一頁第二十二頁，共29頁。JohnL.Hall

（約翰·霍爾，1934年生）JILA,UniversityofColoradoandNationalInstituteofStandardsandTechnology,Boulder,CO,USA27歲時(shí)獲得卡內(nèi)基理工學(xué)院博士學(xué)位解決了實(shí)現(xiàn)光梳技術(shù)的最關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)難題（1973年）光梳技術(shù)可以精確測(cè)量各種顏色光的頻率第二十二頁第二十三頁，共29頁。TheodorW.H?nsch（特奧多爾·亨施，1942年生）Max-Planck-InstitutfürQuantenoptik,GarchingandLudwig-Maximilians-Universit?t,Munich,Germany提出精確測(cè)量光學(xué)頻率的光梳技術(shù)概念和方法（1978年）28歲獲得德國海德堡大學(xué)的博士學(xué)位第二十三頁第二十四頁，共29頁。二、激光是什么？激光------Laser（Lase,lasing)------LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------利用受激輻射產(chǎn)生光放大第二十四頁第二十五頁，共29頁。激光器：光波振蕩器，強(qiáng)相干光源世界第一臺(tái)激光器：1960年，Maimann我國第一臺(tái)激光器：

196