物理学史(5)经典光学(2017年3月27日)课件.ppt

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,*,*,*,主要内容,一、光学研究对象和内容结构；,二、光学的建立和发展；,三、X射线的性质及其应用；,四、激光的性质及其应用。,一、光学,的研究对象,光学是研究光的本性、传播、光和物质的相互作用及其应用的科学。,光学的,内容结构,可分为：几何光学、物理光学两部分，,其中物理光学又分为：,波动光学、量子光学、现代光学三部分.,以经典理论（含经典机械波和电磁波理论和,几何光学,）为基础的光学叫经典光学,经典光学的基本原理,几何光学：基本原理为费尔马原理（最小光程原理）,波动光学：基本原理为惠更斯菲涅尔原理,现代光学的主要范围：,含：,激光科学、量子光学、激光光谱学、非线性光学、全息光学、量子信息光学、原子光学等分支。,（1）激光光学：研究激光的产生、性质、传播规律等的科学，产生于1916年，爱因斯坦提出受激辐射的概念，1960年制成红宝石激光器。,（2）量子光学：应用量子力学理论来研究光的辐射、吸收、光与物质相互作用的科学。,（3）激光光谱学：以激光为光源的光谱学，研究激光的光谱性质，遵从的规律及其应用的科学。创始人：肖洛。,（4）非线性光学：研究光与物质的相互作用中表现出来的非线性性质的科学。,创始人：布罗姆伯根，1974年。,（5）量子信息光学：将量子力学与信息光学相结合形成的新的科学分支。主要包括量子信息、量子计算机、量子算法、量子密码等。,（6）原子光学：利用原子波动性的一门光学、技术及应用的科学，包括原子反射、原子干涉等技术的科学。,（7）全息光学：将激光应用于全息。,二、光学的建立和发展,1、光学的早期发展；,2、波动光学的建立和发展；,3、光的微粒说；,4、光速的测定；,5、光谱学的建立和发展；,6、量子光学的提出和发展；,7、激光物理的建立和发展,1、光学的早期发展,公元前春秋时期我国墨子墨经叙述了光的传播现象;,公元前三世纪，欧几里德（希腊）叙述了光的直线传播和反射定律。,古希腊的脱勒密开始研究光的折射现象；,1589年意大利阿玛蒂发明眼镜。,1604年德国开普勒写论文介绍几何光学规律。,1609年加利略制作了望远镜；,1611年开普勒出版折光学；,1621年，荷兰的菲涅尔实验得到光的折射定律，建立了几何光学；,1637年荷兰的斯涅利乌斯发现，笛卡尔正式提出了光的折射定律。几何光学诞生；,1704年，牛顿提出光的微粒说，并得到光的折射定律，并对颜色给予解释。,1712年，延森制成第一架显微镜,2、波动光学的建立和发展,1665年意大利的格里马第论述光的衍射和颜色。,1667年，胡克出版显微术，认为光是与水波类似的脉冲波。,1678年法国的惠更斯在论光中认为光是发光体中微小振动，弥漫于宇宙中的波动过程，并提出惠更斯原理。,1690年，荷兰的惠更斯提出早期的波动说，认为光是粒子振动的传播；,1704年牛顿出版光学系统介绍色散的理论和实验研究。,1800年，托马斯杨进行杨氏双缝干涉实验。,1801年，托马斯杨在论文中全面论述光的干涉原理。,1809年，法国的马吕斯发现反射光的偏振现象，并提出光偏振的马吕斯定律。,1819年，荷兰的菲涅尔提出新的波动说和菲涅尔原理；,1811年，英国的布鲁斯特发现布鲁斯特角，此时反射光为平面偏振光。,1849年，菲索测得光速（值为315300km.s）;,1851年，麦克斯威提出光的电磁波理论。,3、光的微粒说,古希腊哲学家认为光是由一些能引起人们光和热感觉的粒子组成；,17世纪，牛顿认为光是发光体发生并以一定速度传播的粒子；,1905年，爱因斯坦认为光是由光子这种微粒组成，但是这里的光子与牛顿指的粒子不同，有波、粒二重性。,4、光速的测定,1676年，丹麦的罗墨（1644-1710）从天文上获得光速有限的证据，荷兰的惠更斯算出光速值为227000km.s；,1849年，菲索从地面上用反射镜方法测得光速（值为315300km.s）;,1862年，傅科从地面上用旋转镜方法测得光速（值为298000km.s）;,1923年，迈克尔孙从地面上用聚焦透镜方法测得光速（值为299860km.s）；,1927年，美国实验人员测得光速为2.9979610,8,m/s。,5、光谱学的建立和发展,1814年，德国的夫郎和费发现太阳光的光谱线；,1822年，德国的夫郎和费发明衍射光栅；,1859年，德国的基尔霍夫提出光谱分析方法；,1884年，瑞士的巴尔木提出氢原子的巴尔木光谱公式；,1890年，瑞典的里德伯提出元素光谱的里德伯公式；,1868年，瑞典的埃格斯特朗确立光谱分析方法。,6、量子光学的提出和发展,1900年12月24日在德国物理学会上宣读论文-关于正常光谱的能量分布定律的理论。提出量子概念和普朗克公式。,1887年，赫兹发现光电效应。,1905年6月，爱因斯坦在德国物理上，发表论文-关于光的产生和转化的一个启发性观点，提出光子概念。,7、激光物理的建立和发展,激光是光学和量子理论、无线电电子学、微波波谱学、固体物理学等相结合的产物。激光与普通光相比，具备方向性、单色 性和相干性好而亮度极强等特点，有广泛的用途，如用于特种加工、精密检测、测量、导航、医疗、制药、育种、通信等领域，并且是一种常用的科研技术手段，前景广阔。在21世纪，激光的应用将更加广泛，激光的研究也将更加深入。目前科学家正在研究利用激光实现受控核聚变，这将为人类提供无尽的能源。,德裔美国物理学家爱因斯坦,丹麦物理学家玻尔,1916年6月，爱因斯坦在物理学年鉴上，发表论文-幅射的量子理论，提出受激幅射的概念；,1928年，德国的拉登堡提出负色散理论；,1946年，法国的卡斯特勒观察到粒子数反转的信号；,1947年，法国的兰姆发现，粒子数反转可实现受激幅射；,汤斯(1915)美国物理学家,巴索夫(1922)苏联物理学家(后)普罗霍洛夫(1916)苏联物理学家,1954年汤斯、巴索夫与普罗霍洛夫几乎同时研制出微波受激辐射器。,1957年和1958 年汤斯提出激光器的工作原 理和设计方案。,1960年美国科学家梅曼研制出第一台激 光器。,世界上第一台红宝石激光器,拉姆齐(1915)美国物理学家,拉姆齐的实验装置,发明了分离振荡场方法，并利用其研制出氢微波激射器和铯原子钟,1958年，汤斯和肖诺在物理评论上，发表论文红外区和光学激射器，提出激光理论；,1959年，美国的梅曼制成第一台红宝石激光器；,1962年，伊朗的贾万在美制成第一台氦氖激光器；,1970年，美国的贝尔实验室制成第一台半导体激光器；,1967年，美国的修斯实验室制成第一台染料激光器；,朱棣文(1948)华裔美国物理学家；菲利普斯(1948)美国物理学家；科昂-塔努吉(1933)法国物理学家。,朱棣文、菲利普斯和科昂-塔努吉利用激光冷却技术成功地捕 获了原子，他们的研究可以帮助我们理解重要的物理现象，用前所未有的精确度来测量重要物理参数。于1997年获奖。,被捕获在激光陷阱中的一团钠原子(照片中部黄点)（左）和装置（右）,三、X射线的发现、性质和应用,1、X射线的发现,1895年X射线的发现、1896年放射性的发现和1897年电子 的发现，被并称为19世纪末物理实验的“三大发现”，标志着现 代物理学的开端。X射线的发现和研究，对20世纪的物理学以 至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。,从1901年伦琴开始，到1924年共有6位从事X射线研究的物理学家获得诺贝尔物理学奖，占当时获奖人数的1/4。这6位是：英国物理学家L.布拉格(18901971)、H.布拉格(18621942)、德国物理学家劳厄(18791960)和伦琴(18451923)等）由此可见，X射线的研究成果在20世纪的前1/4世纪中占有着重要的地位。,(1)伦琴简介,伦琴(18451923)德国物理学家，,1895年发现了X射线，1901年,获首次诺贝尔物理学奖。,伦琴的实验室,（2）X射线的性质,是波长在0.1-100埃的电磁波，穿透性强，在界面处无反射和折射，能使莹光物质发光。,（3）X射线的产生,由X射线管在高电压下产生，分硬射线和软射线两种。,医疗检测通常用软射线，,工业检测通常用硬射线。,高压,X射线管构造示意图,高压连续谱,分离谱,X射线的发射机制图,（4）X射线的应用,医生通过X光照片进行诊断图,70年代问世的计算机X射线断层扫描成像术(CT),用X射线衍射研究晶体内部结构,用X射线衍射测出的金刚石结构模型,（5）X射线的防护,（1）不得超过剂量；,（2）穿用铅做的防护服；,（3）在可能条件下远离射线的幅射源；,（4）房屋应有隔离设施；,四、,激光的性质及其应用,1、,激光的产生,激光是根据受激发射放大原理而产生的一种相干光。,1）、受激吸收，自发辐射，受激辐射,受激吸收,原子的能量是量子化的，分成许多能级，当能量为E,1,的原子受频率为 的光照射,满足如下条件时，原子吸收光子而跃迁到高能级E,2,的状态，这叫受激吸收。,自发辐射,处于高能级E,2,的状态的原子不稳定，会自发跃迁到低能态，并发射频率为的光子，这叫自发辐射。,受激辐射,处于高能级原子在自发辐射前，受到频率为,的光照射，会辐射出2个频率为 的光子，这叫受激辐射。,显然，若这两个光子再去激发其它原子产生受激辐射，就会实现光放大。,受激吸收、,自发辐射、受激辐射,2、产生激光的条件,（1）粒子数反转的概念,光与原子相互作用时，总同时存在受激吸收、自发辐射、受激辐射。由于受激吸收会使光子数减少，而受激辐射使光子数增多。光通过物质时光子数是否增加，取决于过程和处于高低能级的原子数，由统计物理理论，处于能级E1和E2的原子数N1和N2之比为,为玻尔兹曼常数。正常情况下，高能级的原子数远小于低能级原子数，这种分布叫正常分布。正常分布下，受激吸收占优势，不会有光放大。要实现光放大，必须使高能级的粒子数大于低能级粒子数，这种分布叫粒子数布居反转分布（粒子数反转）。产生激光的必要条件是实现粒子数反转。,（2）实现粒子数反转的方法：激活物质+激励,要实现粒子数反转，首先要有实现粒子数反转的物质（激活物质），这种物质的特点是有亚稳态能级，因而激活物质具有三能级、四能级结构。其次是：要提供能量使激活物质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态（此过程叫激励）。,激 光放大原理图,(3)光学谐振腔,谐振腔可使光束方向和频率实现最有效的放大（见图）。,4、阙值条件,光在谐振腔中光放大作用（增益）应大于各类损耗，其条件（称阙值条件）为,1、,激光的性质,（1）、激光具有普通光所具有的全部性质，这就是：,在一定波长（380760nm）范围内，能引起人的视觉，并表现为不同的颜色；,它在真空中的传播速度为C=310的8次方m/s，与光传播方向无关，也与观察者无关；,它是电磁波，是横波传播方向与光矢量（电矢量）振动方向互相垂直；,它有干涉、衍射、偏振等波动的基本特征；,它在传播遇到介质分界面时，满足反射定律、折射定律，在一定条件下有全反射、全偏振、漫反射和能量吸收现象；,光有能量：能量密度（单位体积）W与光矢量振幅平方成正比；,光照到物体上时，对物体有压强、压强与温度成正比；,光它是由光子这种粒子组成。光子的能量E、动量p与光的波长、频率的关系为：E=h、p=h/。（h为普遍克常数）,（2）、激光有下列特性,1)高亮度：,可达101W/cm2。激光束经透镜聚焦后能在焦点附近产生几千度的高温。,2)高方向性：,能有效地传递较长距离同时，能聚焦到极高的功率密度。,(3)高单色性；,(4)高相干性：,整个光束如同一个波列,因而满足相干条件。,2、激光的应用,激光加工：激光打孔；激光焊接；激光切割；激光热处理,激光测量：激光准直；激光导向；激光精密测量；激光测距,激光通讯；,激光清洗和净化。,激 光 净 化 技 术,1、激光净化技术的发展历史,激光是20世纪60年代发明的，到了80年代中期，国外的Beklemyshev Allrn等人开始了激光清洗的研究，直到90年代初起才真正步入工业生产中。,我国激光清洗技术的研究和开发一直到近一两年才起步，在较短时间内也取得了一些成果。从国内的现状来看：国内的激光清洗技术基本上是跟踪国外的发展，还处于完全的实验室阶段；在激光清洗技术的重要应用领域除锈和清除颗粒方面的研究与开发几乎是空白。,2、激光净化的优点,能有效清除微米级及更小尺寸的污染微粒;,激光清洗不会产生二次污染;,激光清洗可以简化工序，缩短产品的制造周期;,激光可以实现在时间和空间上的高度集中;,激光光束的发散角甚小，方向性好.具有足够功率（或能量）的激光束聚集后照射到材料适当的部位.,3、激光净化的机理及影响因素,（1）激光净化的原理,物体表面附着的细微颗粒主要有氧化物和灰尘。激光清洗微粒的机制是：在激光束辐射下，微粒和基底的瞬时热膨胀，而使粒子受到一个很大的脱附力。当这些作用力的合力（清洗力）大于物体表面对微粒的附着力，且污染粒子的动能大于粒子从基底从表面运动能够到无穷远处，克服吸附力做的功的时候，微粒就会脱落，而得到清洗。,（2）影响清洗效果的因素,激光束波长愈短，能量密度愈高，其清洗力就愈大，洁净度愈高。,污染层比较厚，则需要多个脉冲进行清洗;,不同污染物质和基体材料的合理清洗工艺参数;,激光能量密度阈值的大小.,基体表面的粗造度和清洁度等.,4、激光净化的类型,根据清洗表面上是否存在外来介质膜，常将激光净化分为干式清洗（或叫干燥激光净化）和湿式净化，其中干式清洗又分为通常干式清洗和特殊干式清洗两种，它们净化的物理机制不相同。,（1）、湿式激光清洗法,激光湿式清洗是在粘附有微粒的光学基片表面再涂覆一层厚度极薄的液膜或固介质膜，通过介质膜的汽化作用使周围产生爆炸力，这种作用力一般都超过微粒与基底之间的粘附力，从而导致微粒和介质膜一起被清除。基本原理见图1，主要有3种不同的热作用引起。,湿式激光清洗原理图见下,干式激光清洗法装置,干式清洗的两种微粒去除机理,光学基片表面软质抛光胶体粒子的特殊激光干式清洗,抛光后光学基片表面的形貌 图5激光清洗后的表面形貌,干式激光净化的物理机制,一,个微粒与固体表面的吸附力主要有静电力、范德瓦尔斯力、毛细吸附力。在激光清洗中，通常不会产生强大的电场，可忽略静电吸附力。干燥激光净化中，毛细吸附力也很小甚至不存在。因此，范德瓦尔斯力是最主要的吸附力，范德瓦尔斯力的大小反比于粒子质心与基底表面的距离y的n次方。,干式激光净化的两种机制,激光脉冲,粒子,基片,基片表面振动,粒子,基片,微粒振动,激光脉冲,I,0,(1)激光净化的条件是激光辐照下的污染粒子的脱附力大于吸附力，动能大于粒子从基底从表面运动能够到无穷远处，克服吸附力做的功。（2）单脉冲情况下干式激光净化辐照能量密度阈值与基底和粒子的质量密度、热膨胀系数、元胞体积、摩尔质量、质量密度、比热容等性质有关，也与温度、脉冲时间等有关。（3）基底和污染 粒子对激光辐照能量密度与之有重要的影响：（）污染粒子的粒径愈大，能量密度阈值愈大。,七、光纤通信,光纤通信，就是指用光作为在传输介质光学纤维中的信息载波的传输系统，称为光纤通信。,信息交流是人类社会的特征和人类与其它动物的本质区别之一。社会的进步，人类已从简单的手姿：语言交流发展到电信号交流。特别是电话、电视、计算机网络等的出现和发展以来，人类的信息交流已大大发展和进步。由于光纤通信它具有信息交流特快、信息量特别大等突出优点，已发展成当今主要的通信技术之一。,光纤通信的发展阶段,目视通信；,光电方式；,传光线路探索；,光纤通信,目 视 通 信,手势、眼神；,光烽火台；,扬旗式通信机。,1871年，法国，数公里设一高塔，利用三块可活动的木块的不同组合传输不同的信号。拿破仑推广到全欧，全长5000公里。例：巴黎土伦，全长764公里，设中继120个，通信时间1012分钟。,光 电 方 式18世纪的光话机（见图），主要军用：,1876年，电话；,1937年，电报；,1894年，电影；,1906年，真空管问世；,1918年，调辐无线电广播，超外差接收机；,1925年，明线载波电话，多路通信；,1936年，调频无线电广播；,1937年，发明脉冲编码；,1938年，电视广播；,19401945年，雷达，微波通信；,1948年，发明晶体管；,1949年，时分多路通信技术用于电话,1956年，敷设越洋电缆；,1958年，发射第一颗人造通信卫星；,1960年，激光器出现；,1961年，出现集成电路；,1962年，第一颗同步通信卫星；,10601970年，数字通信问世。,光 纤 通 信,1960年，制出激光器；,1964年，开展光波导理论研究；,1970年，美国康宁公司采用CVD工艺首先制成20db/km的低损耗石英光纤，开创了光纤通信的新纪元；,光 纤 分 类,按损耗分：普通光纤，低损耗光纤；,按折射率分：阶跃光纤，变折射率光纤；,按材料分：玻璃光纤，石英光纤，塑料光纤；,按性质分：单模光纤，多模光纤,光纤通信用光电子器件,光发射模块；,激光器；,光接受模块,光纤连接器；,光纤定向耦合器；,光开关；,光衰减器；,光隔离器；,光分光器,光 纤 通 信 特 点,频带宽，速度快，信息容量大；,损耗低，中继间隔大；体积小，重量轻；无电磁干扰；,机动性好，线路建设快；,系统结构简单；原料丰富，成本低。,我国光纤通信情况,1962年，开始研制光学纤维；,1973年，研制自聚焦透镜；,1974年，用CVD工艺研制低损耗石英光 纤；,1978年，国内第一条数字化实验线路在桂林建立；,1979年，国内在北京市话局进行光纤通信现场试验；,1982年，北京铁路局北京站对光纤通信进行现场试验；,自此以后，光纤通信在我国蓬勃发展。,西南地区光纤通信情况：,光纤通信今后发展动向,1、超大容量光纤通信系统。,提高通信容量和传输速率是重要的发展方向。目前通信容量平均1年翻一番。Tb/s量级干线传输系统将进入实用。日本计划2010年使用5Tb/s甚至1236Tb/s的大容量光纤通信系统。,2、WDM，OTDM大规模组网新技术,这是提高信息容量的主要方法和发展方向。,波分复用是利用不同波长的光载信号在同一根光纤上传输，即同时可传输多路光信号，使传输容光焕发量随复用波长数目的增加而成倍增加。,1648通道以上超过Tb/s容量的通信线路已有报导,KMI调查，DWDM全球市场：2002年20亿美元2005年将增至100亿美元。,3,、光电器件和集成光电器件大发展。,不少新器件问世。如可检测光波长差的光滤波器、可调的色散补偿器、OTDM/WDM变换器、高速取样开关、混合集成组件、垂直腔面发射激光器、光波导数字交换器、波分复用器（合波器）、解复用器（分波器）、布拉格光纤光栅、阵列波导光栅、全息光栅、光交叉互连器件、光纤放大器、光开关等。,光纤接入网和光纤通信到家光纤到家主要是降低成本。2002年可实现光纤到家。,全光通信网进入发展阶段。,超高速、超长距离光孤子通信线路。,低损耗、低色散光纤不断向前发展。,激光技术的发展,1、新的,激光器的出现：,1961年汝激光器由贝尔室验室研制成功；1964年掺汝钇石榴石激光器研制成功；,1965年化学激光器研制成功；,1967年染料激光器研制成功；,以后，自由电子激光器、准分子激光器、离子激光器等研制成功。,作 业：,（1）简述X射线的性质、产生机制，它的应用及如何防护。,（2）简述激光的性质和产生机制以及它的应用。,（任选一题）,