诺贝尔奖与光学12q02031课件

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1、诺贝尔奖与光学 Nobel Prize and Optics,信息科学与工程学院光科学与工程系 教师：（应质峰副教授 电话：55665658 办公室：综合楼211室） 孙剑副教授 电话：55664529 办公室：光学楼401室 助教：李艳丽(博士生)，梁佩佩（博士生） 课程用邮箱： ,诺贝尔奖与光学课程内容,诺贝尔和诺贝尔奖项、光学基本知识 光量子理论 激光的产生、各类激光器 全息及其应用 激光应用：工业、测量、农业 光通信 激光光谱、激光在生物、医学中的应用 激光核聚变、新能源 激光冷却原子 激光未来、应用,诺贝尔物理奖,1901-2011 (6年因故未颁奖) 近120项，共计 191

2、人次 ，获得诺贝尔物理奖 光学物理学中重要的分支 物理奖中有40多项与光学相关,一 光学基础知识,光学物理学的重要分支 光的早期定义能引起视觉反应的事物(现象)-“人为什么能看见周围的物体？” 现代光学研究对象: 光的传播 光与物质的相互作用 研究范围从可见光扩展到微波、红外、紫外、X射线（电磁波的一部分）,光学发展史,中国古代光学史 770-221 BC 战国年代 墨经：茅屋雁影-针孔成象,淮南子阳燧取火-凹面镜聚焦,西汉魔镜,光学发展史,英国 牛顿（1643-1727）光的粒子说: 光是按照惯性定律沿直线运动的微粒流。 解释光的直线传播，反射、折射。 （统治17-18世纪）,荷兰物理学家

3、惠更斯（1629-1695）光的波动说: 光是一种特殊弹性介质中传播的机械波。 解释光的反射、折射，衍射、干涉。 多项实验验证（特别是杨氏双缝实验等） 19世纪中叶，波动性占上风。,光在现代物理学发展中的作用,19世纪末近代物理学晴朗天空上的三朵不祥乌云,原子的分裂谱线,黑体辐射,光电效应,光是电磁波的一部分,宇宙线,射线,x射线,光波,微波,短波,中波,长波,远红外光 红外光 可见光 紫外光 真空紫外线 软x射线,电磁谱,高频,低频,电磁波谱,可见光与单色光,可见光范围400760nm,单色光:具有单一频率的光,光是电磁波，可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波,准单色光:光波中包含波长（频率

4、） 范围很窄的成分的光,复色光:不同频率单色光的混合光,任何光源发出的光都有一定的频 率范围, 越小, 单色性越好,光学,光学,几何光学,物理光学,光的直线传播定律,光的独立传播定律,光的反射和折射定律,波动光学,量子光学,光的干涉,光的衍射,光的偏振,光的干涉现象： 两束光相遇发生振幅迭加，在相交区产生明暗相间的干涉条纹的现象。,产生光的干涉现象的必要条件： 两束光具有相同的频率； 相同的偏振方向； 固定的位相差,干涉图,杨氏双缝干涉,k=2 1 0 -1,1881年发明了光学干涉仪并且借助这些仪器进行光谱学和度量学的研究 获1907 年诺贝尔物理奖,A.迈克尔逊(美国) (1852-193

5、1),从迈克尔逊干涉仪中看到的干涉条纹,牛顿环,干涉的应用,肥皂泡原理,光的干涉,光：变化的电磁场 只讨论电振动，E 电矢量 产生光的干涉现象的必要条件： 两束光具有相同的频率； 相同的偏振方向； 固定的位相差,光的干涉,光强：,衍射现象,光线在传播过程中发生绕过障碍物偏离直线传播的现象。,光线通过树木衍射而形成的日晕,衍射现象,观察到光的衍射现象的必要条件： 衍射物体的几何尺寸与光的波长相当，具有相同数量级。 1818年 巴黎科学院征求关于阐明光的衍射现象这一有奖问题的辩论 A.J.Fresnel （1788-1827，法国）提交的有关光衍射论文在辩论中获胜。 奠定了波动光学的地位,圆孔衍射

6、,平行光照明 孔后屏上不是一个边界鲜明的亮圆 而是一个多重明暗相间的同心圆环爱里斑,单缝与方孔的衍射,平行光照明 孔后屏上不是一条边界鲜明的亮缝象，而是一系列明暗相间的条纹 孔后屏上不是一个边界鲜明的方的亮象，而是纵横交错的两组明暗相间的条纹,M.V.劳厄（德国人）发现晶体中的X射线衍射现象 获1914 年诺贝尔物理奖 W.H .布拉格、W.L.布拉格（英国）借助X射线，对晶体结构进行分析 获1915 年诺贝尔物理奖,衍射的应用及成就,光的偏振,光振动的方向特性（即光的偏振性）表明光及所有电磁波是横波。 根据光矢量对传播方向的不对称情形，可分为线偏振光、自然光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光

7、。,自然光,光的偏振例子,观看立体电影： 在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。,如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画，就可以使观众得到立体感。在放映时，两个放像机镜头上分别放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了,光的另一个有趣、重要而又不能直接探测的特性,光的波动特性 振幅

8、 频率 偏振,位相 问题的提出：如何记录和测量位相？,二 光量子理论,黑体辐射 光电效应 原子的分裂谱线,光在现代物理学发展中的作用,19世纪末近代物理学晴朗天空上的三朵不祥乌云 光电效应 原子的分裂谱线 黑体辐射,部分与光学有关的诺贝尔奖获得者,光量子理论 黑体辐射和普朗克的能量子假说,一. 基本概念,1. 热辐射,定义,分子的热运动使物体辐射电磁波,基本性质,温度 发射的能量 发射电磁波的波长,平衡热辐射,物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量,辐射本领强的物体，吸收本领亦强，反之亦然,2. 辐射能量按波长的分布单色辐射本领M,3. 总辐射本领M（T）,单位时间内从物体单位表面发出的波

9、长在 附近单位波长间隔内的电磁波的能量。,二. 黑体和黑体辐射的基本规律,1. 黑体,能完全吸收各种波长光而无反射的物体具有最大热辐射本领,M 最大且只与温度有关而和材料及表面状态无关,2. 维恩设计的黑体,4维恩位移律(经验公式),m = b/T,b = 2.89775610-3 mK,3. 斯特藩玻耳兹曼定律,M(T)=T 4, = 5.6710-8 W/m2K4,三. 经典物理学遇到的困难,1. 空腔壁产生的热辐射可想象成以壁为节点的许多驻波,2. M (T)公式都与实验结果不符合,5理论与实验的对比,四. 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式,2. 普朗克假定（1900年）,h = 6.6

10、26075510 -34 Js 是普朗克常数,3. 普朗克公式, = nh,在全波段与实验结果惊人符合,物体-振子,经典理论：振子的能量取“连续值”,物体发射或吸收电磁辐射只能以能量“量子”方式进行,1“振子”的概念（1900年以前),突破与混乱,量子： quanta (Latin: how much?) 普朗克：仍然企图用连续性代替量子 (In summary, I can only characterize the entire work as an act of desperation.) 爱因斯坦：光量子 E = hv 解释光电效应,光电效应和爱因斯坦的光量子论,一. 光电效应的 实验

11、规律,1光电效应,光电子 （photoelectron),光电效应 （photoelectric effect）,2实验规律,Uc= K - U0,与入射光强无关,光电子的最大初动能,只有当入射光频率 v大于一定的 频率v0时，才会产生光电效应, 0 称为截止频率或红限频率, 饱和光电流强度 im 与入射光强 i成正比,光电效应是瞬时发生的,驰豫时间不超过10-9s,二.经典物理学所遇到的困难,经典电磁理论, 光波的能量与频率无关, 电子积累能量克服逸出功需要一段时间.,1.普朗克假定是不协调的,三.爱因斯坦的光量子论,只涉及发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播,2.爱因斯坦光量子假设(1905

12、),电磁辐射由以光速c运动的局限于空间某一小范围的光量子（光子）组成, = h,光量子具有“整体性”,3. 对光电效应的解释,当 A/h时，不发生光电效应。,红限频率,4. 爱因斯坦把能量不连续的概念应用于固体中的振动，成功地解决了当温度趋近绝对零度时固体比热趋于零的现象 获1921 年诺贝尔物理奖,四.光电效应的意义,电磁波能量不连续,光的波动性和粒子性统一,原子的分裂光谱,1913年N.Bohr（丹麦） 从事原子结构和原子辐射的研究,提出电子在原子中只能处于一系列不连续的能级，在不同能级间电子发生的跃迁同时发出或吸收光子，其能量 h=E1-E2,=（E1-E2）/ h,解决了原子的分裂谱线

13、现象 获1922 年诺贝尔物理奖,光的波粒二象性,波动性和粒子性是一切微观世界最根本的特征，同时存在。 光的波动性 光是具有极高频率的电磁波。可以用光的电磁理论解释光在传播过程中所产生的各种现象：干涉、衍射、偏振等,光的粒子性 符合量子规律的粒子。 光与其它物质相互作用并涉及到能量转换的过程，用量子力学的理论解释。,光的波粒二象性,光学在现代物理学发展中的作用,黑体辐射+光电效应+原子的分裂谱线 解决了19世纪末近代物理学晴朗天空上的三朵不祥乌云，为开创量子力学奠定基础,光的本性,粒子？波动？ 粒子性和波动性如何统一？,三 激光的产生,激光发展史 激光产生的基本原理 受激辐射 粒子数反转和增益

14、介质 谐振器 激光的光束特性,激光的产生,“激光”一词的来历： Laser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. 受激辐射的光放大,激光发展史,激光发展史,激光发展史,激光如何偶然发现?,美国科学家汤斯(1915- ) 的贡献 1939年博士毕业(加州理工学院) 40年代起研究微波波谱学 微波激射器原理(1951) 微波激射器发明(1953) Maser 激光器原理(57-58)论文红外与光学激射器提出受激辐射发光的可能性、以及必要条件：粒子数反转,激光如何偶然发现?,拉比和库什：“看来，你应当停止你们正在做的工作。它

15、是行不通的。你知道它是行不通的。我们知道它是行不通的。你们正在浪费金钱，把它停了吧！” 玻尔：“那是不可能的”,激光如何偶然发现?,美国科学家汤斯(1915- ) 的贡献 提出制造红宝石激光器的建议（1959年） 第一台激光器(1960)美国休斯实验室梅曼 1964年汤斯与两名苏联科学家（巴索夫、普罗霍罗夫）同获诺贝尔奖 获奖原因：量子电子学基础研究,第一台红宝石激光器的结构图,红宝石棒,全反射镜,闪光灯,激光束,电源,部分反射镜,冷却水,激光的基本原理,激光产生的条件 激活介质 active medium 粒子数反转 population inversion 产生振荡 oscillation,普通光源的发光,物质受到外来能量（光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子吸收外来能量，从低能级跃迁到高能级，原子被激发受激吸收（共振吸收） 处在高能级的电子寿命很短，在无外界作用下自发向低能级跃迁自发辐射 自发辐射是随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，位相偏振各不相同,吸收、辐射和受激辐射,原子的组成 原子的能级图,-e,+Ze,原子核,电子,E1,E2,E3,基态,E=E2 E1= hu,E1,E2,E=E2-E1=hu,受激吸收、自发辐射,受激吸收 (A) 自发辐射 (B).,光与原子相互作用过程,E1,E2,E=E2-E1=hu,受激辐射,受激