高二物理竞赛光学绪论课件.pptx

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1、后续课程后续课程1、光波导理论、光波导理论2、光纤通信基础、光纤通信基础3、激光原理、激光原理4、非线性光学导论、非线性光学导论5、光电子学、光电子学其它课程其它课程1、偏振光学、偏振光学5、超快光学、超快光学2、统计光学、统计光学6、傅里叶光学、傅里叶光学3、光子晶体、光子晶体7、量子光学、量子光学4、薄膜光学、薄膜光学8、非线性光纤光学、非线性光纤光学.1、光学绪论、光学绪论近代物理的开启近代物理的开启紫外灾难紫外灾难瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论，导出黑体瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论，导出黑体辐射公式，该公式要求辐射能量随频率的增长而趋于无辐射公式，该公式要求辐射能量随

2、频率的增长而趋于无穷大。穷大。瑞利瑞利(J.W.S.Rayleigh1842一一1919)金斯金斯(J.H.Jeans1877-1946)量子力学的诞生量子力学的诞生为了解决黑体辐射理论中的矛盾，为了解决黑体辐射理论中的矛盾，19001900年普朗克提年普朗克提出了量子假说，认为各种频率的电磁波出了量子假说，认为各种频率的电磁波(包括光包括光)，只，只能像微粒似地以一定最小份额的能量程能像微粒似地以一定最小份额的能量程h h (称为能称为能量子量子)发生。发生。其中其中h h=6.55l0=6.55l0-27-27尔格尔格/秒，是普朗克秒，是普朗克常数。我们可以说，常数常数。我们可以说，常数h

3、 h的出现是近代物理学区别的出现是近代物理学区别于旧物理学的标志于旧物理学的标志。普朗克普朗克MaPlanck(1858-1947)光本质的再认识光本质的再认识爱因斯坦根据普朗克理论，于爱因斯坦根据普朗克理论，于19051905年使光的微粒理论在年使光的微粒理论在一种新形式下复活起来。他假设，普朗克的能量量子作一种新形式下复活起来。他假设，普朗克的能量量子作为实在的光粒子而存在，这种光粒子叫做为实在的光粒子而存在，这种光粒子叫做“光量子光量子”或或“光子光子”。由此他成功地解释了当时在光。由此他成功地解释了当时在光-粒子能量转粒子能量转换方面新发现不久的一些现象，它们用波动理论不能够换方面新发

4、现不久的一些现象，它们用波动理论不能够说明，其中主要是所谓光电效应和光化学基本规律。说明，其中主要是所谓光电效应和光化学基本规律。爱因斯坦爱因斯坦(1879-1955)量子力学的诞生量子力学的诞生玻尔玻尔(N.(N.Bohr,1885-1962)Bohr,1885-1962)把量子理论应用到原子结构，把量子理论应用到原子结构，于于19131913年成功地解释了气体线光谱的简单规律年成功地解释了气体线光谱的简单规律.。从这。从这些开端和越来越多的实验材料，发展出了现代量子力学些开端和越来越多的实验材料，发展出了现代量子力学 海森伯海森伯(W.H.iseb(W.H.iseb垮垮)，玻恩，玻恩(M.

5、Bom)(M.Bom)，约旦，约旦(P.Jordan)(P.Jordan)，德布罗意，德布罗意(L.de Broglie)(L.de Broglie)，薛定谔，薛定谔(E.Schr(E.Schrdinger)dinger)，狄拉克，狄拉克(P.A.M.(P.A.M.Dimc)Dimc)玻尔玻尔海森伯海森伯薛定谔薛定谔狄拉克狄拉克玻恩玻恩德布罗意德布罗意场场和和物物质质相相互互作作用用的的详详细细理理论论，需需要要把把量量子子力力学学方方法法的的领领域域加加以以扩扩大大(场场量量子子化化)。对对于于电电磁磁辐辐射射场场，这这项项工工作作是是首首先先由由狄狄拉拉克做出的。这些研究形成量子光学的基础

6、。克做出的。这些研究形成量子光学的基础。量子光学的诞生量子光学的诞生现代光学和应用现代光学和应用 -激光的诞生激光的诞生19171917年爱因斯坦提出受激辐射的概念。年爱因斯坦提出受激辐射的概念。LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation(LASER)19601960年，休斯顿航空公司的年，休斯顿航空公司的TheodoreTheodoreMalmanMalman用人造用人造红宝石制造了一个激光器（红宝石制造了一个激光器（694nm）。1960 1960年年Ali JavanAli Javan成功制备第一台连续激光器成功制备第一台连续

7、激光器 ，即，即He-He-NeNe激光（激光（6328nm6328nm）.各种工作介质、各种泵浦方式、各种波段的激光先后出各种工作介质、各种泵浦方式、各种波段的激光先后出现现NsNs、psps、fsfs、as as 激光激光非线性光学非线性光学现代光谱学现代光谱学早在早在19661966年，高锟就取得了光纤物理学上的突破年，高锟就取得了光纤物理学上的突破性成果，他计算出如何使光在光导纤维中进行远性成果，他计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输，这项成果最终促使光纤通信系统问世，距离传输，这项成果最终促使光纤通信系统问世，而正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路。而正是光纤通信为当今互联网

8、的发展铺平了道路。信息光学信息光学信信息息载载体体电子电子(electron)光子光子(photon)电子学电子学光子学光子学光子学与电子学一起扮演着信息化社会两光子学与电子学一起扮演着信息化社会两大关键支柱的重要角色大关键支柱的重要角色13光子学与电子学的发展路线图光子学与电子学的发展路线图电磁学电磁学电子学电子学微电子学微电子学纳米电子学纳米电子学18世纪世纪光学光学光子学光子学光电子学光电子学纳米光子学纳米光子学1906年年电子管电子管1948年年晶体管晶体管1960年年集成电路集成电路21世纪世纪18世纪世纪1960年激光器年激光器1970年年光纤、光纤、室温室温LDLD、集成光路、集

9、成光路2121世纪世纪激光物理学激光物理学非线性光学非线性光学付里叶光学付里叶光学量子光学量子光学几何光学几何光学波动光学波动光学工程光学工程光学光谱学光谱学光纤光学光纤光学集成光学集成光学光纤通信光纤通信量子光通信量子光通信近场光学近场光学纳米光子材料纳米光子材料纳米光子器件纳米光子器件全光信息技术全光信息技术物物理理学学纳纳米米科科学学光子较电子优势：光子较电子优势：1、光子频率高，具有较高信息容量、光子频率高，具有较高信息容量2、光子传递速度快，比电子快几个数量级；、光子传递速度快，比电子快几个数量级；3、光子具有极强的互联能力和并行信息处理能力；、光子具有极强的互联能力和并行信息处理能

10、力；4、光子波长短，具有较高的信息处理能力，光子能够同时进行一维、光子波长短，具有较高的信息处理能力，光子能够同时进行一维、二维和三维存储能力，存储能力比电子高二维和三维存储能力，存储能力比电子高106到到095、激光技术产生的超短光脉冲比电脉冲要短、激光技术产生的超短光脉冲比电脉冲要短103，可以用于诊断超快，可以用于诊断超快物理和化学过程，物理和化学过程，6、光子能为人们的眼睛所接受，具有直接显示色彩的功能；、光子能为人们的眼睛所接受，具有直接显示色彩的功能；7、光子能量与绝缘体和半导体中的电子、声子产生共振相互作用，、光子能量与绝缘体和半导体中的电子、声子产生共振相互作用，利用这种相互作

11、用易于解决信息产生和接受等问题。利用这种相互作用易于解决信息产生和接受等问题。15光子产业的内容和分类光子产业的内容和分类科研科研科研科研 军事军事军事军事 能源能源能源能源 交通交通交通交通 工业工业工业工业 农业农业农业农业 医疗医疗医疗医疗 环保环保环保环保 文娱文娱文娱文娱光子产业光子产业光子产业光子产业光通信产业光通信产业光通信产业光通信产业光信息产业光信息产业光信息产业光信息产业激光产业激光产业激光产业激光产业光学产业光学产业光学产业光学产业光光无无源源器器件件光光纤纤与与光光缆缆光光有有源源器器件件光光通通信信测测试试设设备备光光通通信信系系统统设设备备光光学学仪仪器器光光谱谱仪仪器器光光学学零零件件真真空空镀镀膜膜光光学学材材料料光光盘盘与与光光盘盘机机激激光光器器与与发发光光管管显显示示器器打打印印机机与与复复印印机机数数码码相相机机图图像像扫扫描描仪仪图图像像传传感感器器光光电电探探测测器器太太阳阳能能电电池池光光照照明明激激光光雷雷达达测测距距仪仪全全息息照照相相设设备备激激光光加加工工处处理理设设备备激激光光器器系系统统设设备备激激光光医医疗疗设设备备