1-绪论激光物理进展

1、2020/9/13,1,华中师范大学物理学院 徐俊 2012年2月,激光原理,2011-2012学年度第二学期物理学院物教、基地专业,2020/9/13,2,教师简介,联系方式： TelEmail：,研究方向：量子光学、激光物理 1998-2002 华中师范大学物理科学与技术学院，学士学位。 2002-2004 华中师范大学物理科学与技术学院理论物理专业，导师为胡响明教授，获理学硕士学位。 2004-2007 华中师范大学物理科学与技术学院光学专业，导师为胡响明教授，获光学博士学位。 2007年7月任职于华中师范大学物理科学与技术学院。 2010年11月-2011年1

2、1月 赴美国德州农工大学跟从M.Suhail Zubairy教授访学。,2020/9/13,3,主要内容,绪论(激光物理进展),光的量子性,光的相干性,激光半经典理论,原子与光场共振相互作用 密度矩阵方法,量子干涉效应,共振荧光,非线性光学：光学双稳、光散射、光学混频等,量子信息等等,2020/9/13,4,Laser Physics M. Sargent III, M.O. Scully, W.E. Lamb, Jr., Addison-Wesley, Reading, MA: 1974 注: 有中文译本科学出版社,主要教材与参考书,Quantum Optics M. O. Scully a

3、nd M. S. Zubairy, Cambridge University Press, 1997,2020/9/13,5,The Quantum Theory of Light (second edition) Rodney Loudon，Oxford University Press, 1983 注: 有中文译本高等教育出版社，于良译，1992年。,高等激光物理学（李福利，高等教育出版社） 非线性光学（李淳飞，哈尔滨工业大学出版社）,2020/9/13,6,考核方式,通过查阅书籍和文献，撰写课程论文，文字公式篇幅不少于5000字。,2020/9/13,7,第一讲 绪 论,2020/9/1

4、3,8,激光是20世纪人类值得骄傲的重大发明之一。,激光具有极高的亮度：其亮度比太阳的亮度高 l0 万倍以上 。,有优良的单色性和相干性 ：单色性比最好的普通光源高出百万倍，相干长度可达数百千米，远好于其他光源。,有较好的方向性：若将一束激光射向月球（地月距离约为40万千米），到达月球表明的光斑直径不会超过2千米。,2020/9/13,9,激光物理学主要讨论激光与物质的相互作用问题，着重处理激光系统。,1、熟悉激光的基本原理； 2、了解应用和研究它的现状与前景； 3、掌握经典理论、速率方程理论、半经典理论和量子理论等分析方法。,2020/9/13,10,激光理论介绍,经典理论将光视为经典电磁场

5、，而把介质原子看作经典谐振子，其相互作用就是经典偶极子在光场中所作的强迫阻尼振荡，该模型简单直观，能解释某些实验现象。,速率方程理论是关于光强与反转粒子数的方程，主要解决激光光强的特性以及与光强有直接关系的若干问题，如激光器的增益饱和、瞬态特性、调 Q 激光动力学、多模振荡及烧孔等。,2020/9/13,11,半经典激光理论是把光看作经典电磁场，用麦克斯韦方程描述；把介质看作量子化的粒子系统，用薛定谔方程描述，由此建立起激光的电磁场方程即兰姆自洽场方程，描述腔内激光行为。,全量子理论进一步将光场量子化，并计及量子起伏，已经顺利解决了半经典理论所不能解决的激光线宽、光子统计等问题 。,2020/

6、9/13,12,一、激光诞生历史 二、什么是激光 三、原子吸收光和发射光理论 四、产生激光的条件,主要内容,2020/9/13,13,一、激光诞生历史,Albert Einstein ，1905年, 光量子理论（用这个量子理论解释著名的光电效应获Nobel 奖，1921年）,2020/9/13,14,激光的理论基础由爱因斯坦奠定。爱因斯坦在 1916 年研究辐射问题时发表了关于辐射的量子理论一文，详细研究了光与物质的相互作用过程，特别是吸收、自发辐射、受激辐射这三种基本作用形式，导出了著名的爱因斯坦关系式，使受激辐射理论上升到了定量的高度。,2020/9/13,15,Clarles H. To

7、wnes（美国）, Nikolai Basov, Aleksander M. Prokhorov （苏联） 1954年实现氨分子微波量子振荡器（Maser），他们利用原子分子的受激辐射来放大电磁波，这一突破性进展为激光诞生铺平了道路。,1964年获Nobel 奖，表彰他们在量子电子学方面的基础研究。,2020/9/13,16,Clarles H. Townes, Arthur L. Schawlow 决定将Maser原理推广到光频段，1958年提出利用尺度远大于光波波长的开放式谐振腔（基于早有的Fabry-Perot法布里珀罗干涉仪）,Nicolaas Bloembergen（美国） 提出利用

8、光泵浦三能级原子系统实现原子数反转的新构思，为微波激射器和激光器的发展指明了方向。,2020/9/13,17,Theodore H. Maimann, 美国休斯研究实验室量子电子部的负责人，有用红宝石进行微波激射器研究的多年经验，经过200多天的艰苦奋斗，终于在 1960年7月7日实现了世界上第一台激光器: 红宝石固态激光器，从此宣告了激光时代的到来。（未获Nobel 奖）,2020/9/13,18,我国第一台固体红宝石激光器： 1961年9月，王之江，中国科学院长春光机所,我国第一台氦氖气体激光器： 1963年7月，邓锡铭，中国科学院长春光机所,2020/9/13,19,2001年：美国的埃

9、里克康奈尔、卡尔维曼和德国的沃尔夫冈克特勒，表彰他们对玻色爱因斯坦冷凝态的研究。,1997年：美国的朱棣文、威廉菲利普斯和法国的科恩塔诺季，表彰他们在发展用激光冷却陷俘原子的方法方面所做的贡献。,2005年：美国的罗伊格劳伯，表彰其对“光学相干的量子理论”的贡献，美国的约翰霍尔和德国的特奥多尔亨施，表彰其“基于激光的精密光谱学”的贡献。,近年基于激光应用的诺贝尔物理学奖,2020/9/13,20,Steven Chu, Willian D. Phillips, Claude Cohen-Tannoudji发展了激光冷却和磁阱技术的有效制冷方法，利用激光将原子囚禁。,1997年诺贝尔物理学奖,2

10、020/9/13,21,2001年诺贝尔物理学奖,从左至右依次为ketterle, cornell, wieman,1995年wieman和cornell（美国）将铷原子限制在磁阱中进行激光冷却首次成功观察到原子气的BEC现象，同年ketterle（德国）在钠原子气中实现了BEC。,实现BEC（大量原子的行为像单个粒子一样不可区分）的苛刻条件： 1、温度极低 2、原子处于气态,2020/9/13,22,2005年诺贝尔物理学奖,2020/9/13,23,Roy J. Glauber （罗伊格劳伯，1925年生） Harvard University, Cambridge, MA, USA（马萨

11、诸塞州的剑桥市 ）,24岁从哈佛大学获得物理学博士学位,提出了“相干性量子理论”（1963年），奠定了量子光学学科的理论基础，被誉为“量子光学之父”。,2020/9/13,24,John L. Hall （约翰霍尔，1934年生） JILA, University of Colorado and National Institute of Standards and Technology, Boulder, CO, USA,27岁时获得卡内基理工学院博士学位,解决了实现光梳技术的最关键的实验难题（1973年）,光梳技术可以精确测量各种颜色光的频率,2020/9/13,25,Theodor W.

12、 Hnsch （特奥多尔亨施，1942年生） Max-Planck-Institut fr Quantenoptik, Garching and Ludwig-Maximilians-Universitt, Munich, Germany,提出精确测量光学频率的光梳技术概念和方法 （1978年）,28岁获得德国海德堡大学的博士学位,2020/9/13,26,二、激光是什么？,激光-Laser （Lase, lasing) -Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -利用受激辐射产生光放大,2020/9/13,27,激光器：

13、光波振荡器，强相干光源 世界第一台激光器： 1960年，Maimann 我国第一台激光器： 1961年，王之江，邓锡铭,2020/9/13,28,激光源于量子跃迁,选择物质是否具有适当频率能否建立反转,三、光被原子吸收和发射的理论 （爱因斯坦关系式）,2020/9/13,29,吸收 受激辐射 自发辐射,光被原子吸收和发射的理论（爱因斯坦）,爱因斯坦关系式,2020/9/13,30,对处于激发态的原子，如果外来光子的能量恰好等于它的跃迁能，那么该光子就可以引起高能态原子向低能态跃迁，并把两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，辐射光子与入射光子不仅发射方向相同，而且频率、相位和偏振态等属性

14、都相同。于是，一个光子变成了两个相干光子。,受激辐射理论：,2020/9/13,31,四、产生激光的条件,实现粒子数的反转，使处于激发态的原子数超过基态，受激辐射胜过吸收和自发辐射，在光与原子的相互作用中居于主导地位。 合适的工作物质和能量供应。选择工作物质主要看它是否具有适用的能级结构，是否有利于实现粒子数反转，获得所需频率的激光。能量供应过程又称“抽运”或“泵浦”，它为工作物质提供跃迁所需的能量，真正实现粒子数反转。 光学谐振腔，其作用类似于电子学中的选频放大器，它能使某些特定模式 ( 频率、相位、偏振态及传播方向一定 ) 的光子不断得到正反馈而加强，抑制其他模式光子的增长。,2020/9/13,32,1、选择物质是否具有适当频率，能否建立反转,2、采用激励，建立粒子数反转,3、制备光学谐振腔，产生光学振荡放大,2020/9/13,33,在外界泵浦源的不断激励下，工作物质中许多粒子就会从基