《激光精品》PPT课件.ppt

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1、激光物理学(2)Laser Physics4：激光在医学上的应用 激光诊断、手术和治疗 激光层析造影、激光荧光诊断、激光层析造影、激光荧光诊断、光动力学治疗（光动力学治疗（PDAPDA）技术、激）技术、激光心脏打孔、激光光纤内窥镜手光心脏打孔、激光光纤内窥镜手术术激光穿心术激光穿心术激光眼科手术激光眼科手术原理激光牙科手术激光在工业中的应用激光切割激光在工业中的应用激光焊接汽车激光在工业中的应用激光快速成型三：激光的最新研究进展 激光冷冻原子控制、操纵孤立原子是科学家多年追求的目标。由于原子控制、操纵孤立原子是科学家多年追求的目标。由于原子控制、操纵孤立原子是科学家多年追求的目标。由于原子控制

2、、操纵孤立原子是科学家多年追求的目标。由于原子不停的热运动（不停的热运动（不停的热运动（不停的热运动（104 105cm/s104 105cm/s），要想实现控制、操纵，），要想实现控制、操纵，），要想实现控制、操纵，），要想实现控制、操纵，首先要使原子冷下来，即降低其运动速度。由于在这方向首先要使原子冷下来，即降低其运动速度。由于在这方向首先要使原子冷下来，即降低其运动速度。由于在这方向首先要使原子冷下来，即降低其运动速度。由于在这方向上的突出成就，有关的科学家荣获上的突出成就，有关的科学家荣获上的突出成就，有关的科学家荣获上的突出成就，有关的科学家荣获19971997年诺贝尔物理学奖。年诺

3、贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。1997 1997 年诺贝尔物理奖授予：年诺贝尔物理奖授予：年诺贝尔物理奖授予：年诺贝尔物理奖授予：4949岁的美国斯坦福大学教授岁的美国斯坦福大学教授岁的美国斯坦福大学教授岁的美国斯坦福大学教授 朱棣文朱棣文朱棣文朱棣文(S Cchu)(S Cchu)；6969岁的法国巴黎高等师院岁的法国巴黎高等师院岁的法国巴黎高等师院岁的法国巴黎高等师院 C C C C 达诺基教授达诺基教授达诺基教授达诺基教授(C C(C C Tanoudji)Tanoudji)；4848岁的美国国家标准局岁的美国国家标准局岁的美国国家标准局岁的美国国家标准局 W D W

4、 D 菲利浦斯菲利浦斯菲利浦斯菲利浦斯(W D(W D Phillips)Phillips)以表彰他们在激光冷却原子和捕获方法上所作出的突出贡以表彰他们在激光冷却原子和捕获方法上所作出的突出贡以表彰他们在激光冷却原子和捕获方法上所作出的突出贡以表彰他们在激光冷却原子和捕获方法上所作出的突出贡献。献。献。献。19171917年，爱因斯坦在有关黑体辐射的文章中年，爱因斯坦在有关黑体辐射的文章中指出：自发辐射过程中会有动量转移指出：自发辐射过程中会有动量转移 19331933，弗里斯，弗里斯(Frisch(Frisch）观察到：钠灯照射）观察到：钠灯照射钠原子束，可使钠原子束轻微偏转；钠原子束，可使

5、钠原子束轻微偏转；19751975年，汉斯（年，汉斯（HanschHansch）肖洛（）肖洛（SchawlowSchawlow）提出激光提出激光冷冻原子的思想：用处于多普勒加宽线型低频端准单色激冷冻原子的思想：用处于多普勒加宽线型低频端准单色激光照射原子，可使其损失动量而减速；光照射原子，可使其损失动量而减速；巴里克恩（巴里克恩（BalykinBalykin）、里特考夫（）、里特考夫（LetokhovLetokhov）首）首次观察到激光减速原子效应；次观察到激光减速原子效应；1980198119801981年年 ，米纳根，米纳根(Minogin)(Minogin)用激光扫描法比较用激光扫描法比

6、较显著的实现原子束减速达：显著的实现原子束减速达：1.5K 1.5K 19821982年年 ，菲里普斯（，菲里普斯（PhilipsPhilips）显著的原子减速）显著的原子减速 100mk100mk19851985年，年，MigdallMigdall：实现：实现17mK;17mK;(Stenwen Chu):(Stenwen Chu):用不同的方法实现用不同的方法实现240uk240uk1988年：（Aspect）速度选择相干捕陷 2K 1992年:(Kasevech):Raman冷却 100nK 1995年 至今：(Anderson)：磁光量子阱+蒸发冷却 20nK 各向同性激光辐射与具有热

7、速度分布原子气体冷却各向同性激光辐射与具有热速度分布原子气体冷却各向同性激光辐射与具有热速度分布原子气体冷却各向同性激光辐射与具有热速度分布原子气体冷却 实验由三对相向、频率满足实验由三对相向、频率满足实验由三对相向、频率满足实验由三对相向、频率满足=-0=K v 0=-0=K v 0，即多普勒线型低频，即多普勒线型低频，即多普勒线型低频，即多普勒线型低频端（红移）。端（红移）。端（红移）。端（红移）。这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。激

8、光扫频法：激光扫频法：激光扫频法：激光扫频法：(Frequency Chirping)(Frequency Chirping)基本思想是让冷却激基本思想是让冷却激基本思想是让冷却激基本思想是让冷却激光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持共振。光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持共振。光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持共振。光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持共振。激光冷却原子在科学上的意义激光冷却原子在科学上的意义 1):大大提高了高分辨率激光谱研究精度。大大提高了高分辨率激光谱研究精度。从而有力推动原子、分子物理学的进步。从而有力推动原子、分子物理学的

9、进步。当原子运动速度接近至当原子运动速度接近至0，将被捕获在一个，将被捕获在一个小区域，一切由原子热运动造成的谱线加小区域，一切由原子热运动造成的谱线加宽（多普勒加宽、碰撞加宽、渡越加宽、宽（多普勒加宽、碰撞加宽、渡越加宽、相对论加宽等）都将被消除。原子谱线只相对论加宽等）都将被消除。原子谱线只有由能级跃迁的量子性质决定的自然加宽。有由能级跃迁的量子性质决定的自然加宽。同时由原子被捕获区域可以场时间的观测同时由原子被捕获区域可以场时间的观测到，提高观察灵敏度和精度。到，提高观察灵敏度和精度。激光冷却原子在科学上的意义激光冷却原子在科学上的意义2):开辟了新的原子、分子物理和光物理的开辟了新的原

10、子、分子物理和光物理的研究领域。研究领域。例如在研究光场和原子相互例如在研究光场和原子相互作用的基础上，形成了原子光学的新分支。作用的基础上，形成了原子光学的新分支。借助光场可以使中性原子聚焦、准直、反借助光场可以使中性原子聚焦、准直、反射、分束、偏转。射、分束、偏转。由于冷原子的德布由于冷原子的德布罗意波长罗意波长 P=h/p=h/mv（v：原子速度，：原子速度，m：原子质量）：原子质量）较长，还可以研究原子较长，还可以研究原子干涉，原子衍射等物质波现象，形成德布干涉，原子衍射等物质波现象，形成德布罗意光学。罗意光学。激光冷却原子在科学上的意义激光冷却原子在科学上的意义3):激光冷却原子使原

11、子钟的精度提高激光冷却原子使原子钟的精度提高23个个量级。量级。总总 结结 第一、激光冷却原子最基本的思想是：原子对光子第一、激光冷却原子最基本的思想是：原子对光子第一、激光冷却原子最基本的思想是：原子对光子第一、激光冷却原子最基本的思想是：原子对光子吸收再吸收再吸收再吸收再发射，动量守恒和能量守恒。发射，动量守恒和能量守恒。发射，动量守恒和能量守恒。发射，动量守恒和能量守恒。第二、多普勒冷却激光频率第二、多普勒冷却激光频率第二、多普勒冷却激光频率第二、多普勒冷却激光频率=0+K V=0+K V，满足，满足，满足，满足-0 -0=K V 0=K V 0；第三、光学粘胶。可以冷却任意方向速度的原

12、子，第三、光学粘胶。可以冷却任意方向速度的原子，第三、光学粘胶。可以冷却任意方向速度的原子，第三、光学粘胶。可以冷却任意方向速度的原子，是该研究领域的一次突破，美籍华人朱棣文在这方是该研究领域的一次突破，美籍华人朱棣文在这方是该研究领域的一次突破，美籍华人朱棣文在这方是该研究领域的一次突破，美籍华人朱棣文在这方面做了开创性的工作；面做了开创性的工作；面做了开创性的工作；面做了开创性的工作；第四、冷冻原子在高分辨率光谱学，量子频标，第四、冷冻原子在高分辨率光谱学，量子频标，第四、冷冻原子在高分辨率光谱学，量子频标，第四、冷冻原子在高分辨率光谱学，量子频标，原子、分原子、分原子、分原子、分 子物理

13、学新分支（原子光学、德布罗意子物理学新分支（原子光学、德布罗意子物理学新分支（原子光学、德布罗意子物理学新分支（原子光学、德布罗意光学）玻色光学）玻色光学）玻色光学）玻色 爱因斯坦凝聚等方面应用前景广阔爱因斯坦凝聚等方面应用前景广阔爱因斯坦凝聚等方面应用前景广阔爱因斯坦凝聚等方面应用前景广阔 2：原子钟：原子钟 原子钟诞生于原子钟诞生于原子钟诞生于原子钟诞生于5050年代，是时间标准发展史上一次年代，是时间标准发展史上一次年代，是时间标准发展史上一次年代，是时间标准发展史上一次巨大的飞跃，它利用了原子量各能级的辐射跃迁巨大的飞跃，它利用了原子量各能级的辐射跃迁巨大的飞跃，它利用了原子量各能级的

14、辐射跃迁巨大的飞跃，它利用了原子量各能级的辐射跃迁h=E2-E1 h=E2-E1。=（E2-E1 E2-E1）/h/h是相关跃迁的频率，是相关跃迁的频率，是相关跃迁的频率，是相关跃迁的频率，它是原子的固有频率。它是原子的固有频率。它是原子的固有频率。它是原子的固有频率。优点：由于原子存在的普通性、长久性、能级的优点：由于原子存在的普通性、长久性、能级的优点：由于原子存在的普通性、长久性、能级的优点：由于原子存在的普通性、长久性、能级的稳定性，原子钟的固有频率稳定性，原子钟的固有频率稳定性，原子钟的固有频率稳定性，原子钟的固有频率 是确定的。是确定的。是确定的。是确定的。由于由于由于由于CsCs

15、原子的核磁矩不为原子的核磁矩不为原子的核磁矩不为原子的核磁矩不为0 0，它的基态超精细结，它的基态超精细结，它的基态超精细结，它的基态超精细结构有两个子能级，分别用量子数构有两个子能级，分别用量子数构有两个子能级，分别用量子数构有两个子能级，分别用量子数F=3F=3，4 4表示。这表示。这表示。这表示。这两个能级间的跃迁频率为两个能级间的跃迁频率为两个能级间的跃迁频率为两个能级间的跃迁频率为9.2GHz9.2GHz，正处于微波区，正处于微波区，正处于微波区，正处于微波区，可以作为频率标准，其作用相当于石英钟的石英可以作为频率标准，其作用相当于石英钟的石英可以作为频率标准，其作用相当于石英钟的石

16、英可以作为频率标准，其作用相当于石英钟的石英片。片。片。片。1967年在零磁场下原子基态两个精细结构年在零磁场下原子基态两个精细结构之间的跃迁频率作为国际通用的频率标准。之间的跃迁频率作为国际通用的频率标准。1秒定义为相应的电磁波持续秒定义为相应的电磁波持续9192.631770个周期的时间，即原子秒。个周期的时间，即原子秒。我国原子钟我国原子钟1981年鉴定（中国计量学院）年鉴定（中国计量学院）铯原子钟装置 3：Laser fusion激光核聚变激光核聚变 中东战争、油价上涨、能源危机、温室效应 寻求更丰富、更廉价、更清洁的能源核能 激光核聚变 氢元素的原子核（氢元素的原子核（D氘氘-H2，

17、T氚氚-H3）可控制地在高温下聚合成重原子核，可控制地在高温下聚合成重原子核，发出大量能量发出大量能量可控氢弹可控氢弹 氘氘+氘氘氚氚+质子质子+4Mev 点火条件点火条件 (4亿度维持亿度维持1秒）秒）1克氘聚变可产生克氘聚变可产生10万度电能万度电能Laser Beam focused At 1018 Wcm-2 Corona plasmaCore plasma Extremely high intensity:1018 Wcm-2 Ultrashort time:10-15 s Ultra-strong electric field:1011 Vcm-1 Ultra-strong mag

18、netic field:106 Gauss Extremely high temperature:109 K Ultra-strong radiation field:1022 Wcm-3 Ultra-strong light pressure:108 Bar Extremely fast speed:c Extremely large acceleration:1019 g Extremely strong coupling between electrons and ions 超短超强激光聚焦产生的极端条件 在许多方面，这样的超高电场、磁场、高温、压强、加速度等组合在一起在许多方面，这样的

19、超高电场、磁场、高温、压强、加速度等组合在一起 的极端条件只有在恒星内部和黑洞边缘等环境下才能存在。的极端条件只有在恒星内部和黑洞边缘等环境下才能存在。激光聚变的四个阶段美国美国美国美国NIFNIF雷射核融合装置图雷射核融合装置图雷射核融合装置图雷射核融合装置图重庆三峡广场作了一套水幕激光 重庆三峡广场作了一套水幕激光 重庆三峡广场作了一套水幕激光 20052005年诺贝尔物理学奖获得者年诺贝尔物理学奖获得者德国德国 特奥多尔特奥多尔.亨施亨施(63(63岁岁)-)-激光的精密光谱学发展激光的精密光谱学发展美国美国 约翰约翰.霍尔霍尔(71(71岁岁)-)-激光的精密光谱学发展激光的精密光谱学发展美国美国 罗伊罗伊.格劳贝尔格劳贝尔(80(80岁岁)对光学量子理论做贡献对光学量子理论做贡献