绪论激光物理进展.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,绪论激光物理进展,（优选）绪论激光物理进展,1/26/2026,2,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,1/26/2026,3,Laser Physics,M.Sargent III,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,Quantum Optics,M.O.Scully and M.S.Zubairy,Cambridge University Press,1997,1/26/2026,4,Theodore H.,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。,三、原子吸收光和发射光理论,提出精确测量光学频率的光梳技术概念和方法（1978年）,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。,1961年，王之江，邓锡铭,Albert Einstein，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）,Phillips,Claude Cohen-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。,Scully and M.,27岁时获得卡内基理工学院博士学位,激光具有极高的亮度：其亮度比太阳的亮度高 l0 万倍以上。,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。,24岁从哈佛大学获得物理学博士学位,Steven Chu,Willian D.,（约翰霍尔，1934年生）,The Quantum Theory of Light,(second edition)Rodney Loudon，Oxford University Press,1983,注: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）,1/26/2026,5,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。,1/26/2026,6,Laser Physics,1960年，Maimann,选择物质是否具有适当频率能否建立反转,近年基于激光应用的诺贝尔物理学奖,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）,我国第一台氦氖气体激光器：,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。,24岁从哈佛大学获得物理学博士学位,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。,1963年7月，邓锡铭，中国科学院长春光机所,(second edition)Rodney Loudon，Oxford University Press,1983,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：,近年基于激光应用的诺贝尔物理学奖,1997年：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。,1995年wieman和cornell（）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。,第一讲 绪 论,1/26/2026,7,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。,1/26/2026,8,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。,1/26/2026,9,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。,1/26/2026,10,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。,1/26/2026,11,一、激光诞生,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,1/26/2026,12,一、激光诞生,Albert Einstein，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）,1/26/2026,13,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。,1/26/2026,14,Clarles H.Townes（）,Nikolai Basov,Aleksander M.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。,1/26/2026,15,Clarles H.Townes,Arthur L.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）,Nicolaas Bloembergen（）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。,1/26/2026,16,Theodore H.Maimann,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）,1/26/2026,17,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,1/26/2026,18,2001年：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：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：的罗伊格劳伯，表彰其对“光学相干的量子理论”的贡献，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,1/26/2026,19,Steven Chu,Willian D.Phillips,Claude Cohen-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,1/26/2026,20,2001年诺贝尔物理学奖,从左至右依次为ketterle,cornell,wieman,1995年wieman和cornell（）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,1/26/2026,21,相干性量子理论,基于激光的精密光谱学,Roy J.Glauber,John L.Hall,，,Theodor W.Hnsch,2005年诺贝尔物理学奖,1/26/2026,22,Roy J.Glauber,（罗伊格劳伯，1925年生）,Harvard University,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”。,1/26/2026,23,John L.Hall,（约翰霍尔，1934年生）,JILA,University of Colorado and National Institute of Standards and Technology,Boulder,CO,USA,27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,1/26/2026,24,1963年7月，邓锡铭，中国科学院长春光机所,我国第一台固体红宝石激光器：,2001年诺贝尔物理学奖,Theodore H.,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）,(second edition)Rodney Loudon，Oxford University Press,1983,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。,Townes（）,Nikolai Basov,Aleksander M.,从左至右依次为ketterle,cornell,wieman,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。,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；,解决了实现光梳技术的最关键的实验难题（1973年）,（未获Nobel 奖）,1963年7月，邓锡铭，中国科学院长春光机所,1997年：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。,Theodor W.Hnsch,（特奥多尔亨施，1942年生）,Max-Planck-Institut fr Quantenoptik,Garching and Ludwig-Maximilians-Universitt,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,1/26/2026,25,二、激光是什么？,激光-Laser（Lase,lasing),-,L,ight,A,mplification by,S,timulated,E,mission of,R,adiation,-利用受激辐射产生光放大,1/26/2026,26,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：,1961年，王之江，邓锡铭,1/26/2026,27,激光源于量子跃迁,选择物质是否具有适当频率能否建立反转,三、光被原子吸收和发射的理论,（爱因斯坦关系式）,1/26/2026,28,