緒論(激光物理進展)VIP

教師簡介聯(lián)系方式：Telmail：xujun@研究方向：量子光學、激光物理1998-2002華中師范大學物理科學與技術(shù)學院，學士學位。2002-2004華中師范大學物理科學與技術(shù)學院理論物理專業(yè)，導師為胡響明教授，獲理學碩士學位。2004-2007華中師范大學物理科學與技術(shù)學院光學專業(yè)，導師為胡響明教授，獲光學博士學位。2007年7月任職于華中師范大學物理科學與技術(shù)學院。2010年11月-2011年11月赴美國德州農(nóng)工大學跟從M.Suhail

Zubairy教授訪學。8/13/20241主要內(nèi)容緒論(激光物理進展)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共振熒光非線性光學：光學雙穩(wěn)、光散射、光學混頻等量子信息等等8/13/20242LaserPhysics

M.SargentIII,M.O.Scully,W.E.Lamb,Jr.,Addison-Wesley,Reading,MA:1974注:有中文譯本．科學出版社主要教材與參考書QuantumOpticsM.O.ScullyandM.S.Zubairy,CambridgeUniversityPress,19978/13/20243TheQuantumTheoryofLight

(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》（李福利，高等教育出版社）《非線性光學》（李淳飛，哈爾濱工業(yè)大學出版社）8/13/20244考核方式通過查閱書籍和文獻，撰寫課程論文，文字公式篇幅不少于5000字。8/13/20245第一講緒論8/13/20246激光是20世紀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，相干長度可達數(shù)百千米，遠好于其他光源。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），到達月球表明的光斑直徑不會超過2千米。8/13/20247激光物理學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。8/13/20248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迫阻尼振蕩，該模型簡單直觀，能解釋某些實驗現(xiàn)象。速率方程理論是關(guān)于光強與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的方程，主要解決激光光強的特性以及與光強有直接關(guān)系的若干問題，如激光器的增益飽和、瞬態(tài)特性、調(diào)Q激光動力學、多模振蕩及燒孔等。8/13/20249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。全量子理論進一步將光場量子化，并計及量子起伏，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)計等問題。8/13/202410一、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8/13/202411一、激光誕生歷史AlbertEinstein，1905年,光量子理論（用這個量子理論解釋著名的光電效應獲Nobel獎，1921年）8/13/202412激光的理論基礎由愛因斯坦奠定。愛因斯坦在1916年研究輻射問題時發(fā)表了《關(guān)于輻射的量子理論》一文，詳細研究了光與物質(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。8/13/202413ClarlesH.Townes（美國）,NikolaiBasov,AleksanderM.Prokhorov（蘇聯(lián)）1954年實現(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，這一突破性進展為激光誕生鋪平了道路。1964年獲Nobel獎，表彰他們在量子電子學方面的基礎研究。8/13/202414ClarlesH.Townes,ArthurL.Schawlow決定將Maser原理推廣到光頻段，1958年提出利用尺度遠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原子系統(tǒng)實現(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。8/13/202415TheodoreH.Maimann,美國休斯研究實驗室量子電子部的負責人，有用紅寶石進行微波激射器研究的多年經(jīng)驗，經(jīng)過200多天的艱苦奮斗，終于在1960年7月7日實現(xiàn)了世界上第一臺激光器:紅寶石固態(tài)激光器，從此宣告了激光時代的到來。（未獲Nobel獎）8/13/202416我國第一臺固體紅寶石激光器：1961年9月，王之江，中國科學院長春光機所我國第一臺氦氖氣體激光器：1963年7月，鄧錫銘，中國科學院長春光機所8/13/2024172001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?，表彰他們對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，表彰他們在發(fā)展用激光冷卻陷俘原子的方法方面所做的貢獻。2005年：美國的羅伊?格勞伯，表彰其對“光學相干的量子理論”的貢獻，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”的貢獻。近年基于激光應用的諾貝爾物理學獎8/13/202418StevenChu,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年諾貝爾物理學獎8/13/2024192001年諾貝爾物理學獎從左至右依次為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）在鈉原子氣中實現(xiàn)了BEC。實現(xiàn)BEC（大量原子的行為像單個粒子一樣不可區(qū)分）的苛刻條件：1、溫度極低2、原子處于氣態(tài)8/13/202420相干性量子理論基于激光的精密光譜學RoyJ.GlauberJohnL.Hall

，TheodorW.H?nsch2005年諾貝爾物理學獎8/13/202421

RoyJ.Glauber

（羅伊·格勞伯，1925年生）HarvardUniversity,Cambridge,MA,USA（馬薩諸塞州的劍橋市）24歲從哈佛大學獲得物理學博士學位提出了“相干性量子理論”（1963年），奠定了量子光學學科的理論基礎，被譽為“量子光學之父”。8/13/202422JohnL.Hall

（約翰·霍爾，1934年生）JILA,UniversityofColoradoandNationalInstituteofStandardsandTechnology,Boulder,CO,USA27歲時獲得卡內(nèi)基理工學院博士學位解決了實現(xiàn)光梳技術(shù)的最關(guān)鍵的實驗難題（1973年）光梳技術(shù)可以精確測量各種顏色光的頻率8/13/202423TheodorW.H?nsch（特奧多爾·亨施，1942年生）Max-Planck-InstitutfürQuantenoptik,GarchingandLudwig-Maximilians-Universit?t,Munich,Germany提出精確測量光學頻率的光梳技術(shù)概念和方法（1978年）28歲獲得德國海德堡大學的博士學位8/13/202424二、激光是什么？激光------Laser（Lase,lasing)------LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------利用受激輻射產(chǎn)生光放大8/13/202425激光器：光波振蕩器，強相干光源世界第一臺激光器：

1960年，Maimann我國第一臺激光器：

1961年，王之江，鄧錫銘8/13/202426激光源于量子躍遷

選擇物質(zhì)是否具有適當頻率

能否建立反轉(zhuǎn)三、光被原子吸收和發(fā)射的理論（愛因斯坦關(guān)系式）8/13