诺贝尔奖与光学Nobel Prize and Optics激光 与 全息激光简介―激光”一词的来历：Laser ：L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation. 受激辐射的光放大人物及获奖时间获奖原因普朗克1918in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by hisdiscovery of energy quanta 能量子的发现，开创近代物理 部分与光学有关的诺贝尔奖获得者人物及获奖时间获奖原因爱因斯坦1921 for his services toTheoretical Physics,and especially for hisdiscovery of the law ofthe photo-electriceffect理论物理的贡献，特别是光电效应规律的发现人物及获奖时间获奖原因玻尔1922年for his services in theinvestigation of thestructure of atoms andof the radiationemanating from them原子结构理论和辐射理论人物及获奖时间获奖原因Raman 1930年for his work on thescattering of light and forthe discovery of the effectnamed after him研究光的散射并发现以他名字命名的“拉曼效应”人物及获奖时间获奖原因TownesBasov, Prokhorov1964年for fundamental work inthe field of quantumelectronics, which has ledto the construction ofoscillators and amplifiersbased on the maser laserprinciple量子电子学的开创性工作，微激射器及激光原理上的振荡和放大人物及获奖时间获奖原因Gabor 1971 for his invention anddevelopment of theholographic method全息术人物及获奖时间获奖原因Bloemberge,Schawlow1981for theircontribution tothe developmentof laserspectroscopy发展激光光谱的贡献人物及获奖时间获奖原因朱棣文,Tannoudji, Phillips1997 for developmentof methods tocool and trapatoms with laserlight激光冷却与原子阱人物及获奖时间获奖原因诺贝尔化学奖获得者Zewail1999年for his studies ofthe transition statesof chemicalreactions usingfemtosecondspectroscopy用飞秒光谱研究化学反应中的过渡态人物及获奖时间获奖原因2005年Roy J. Glauber for his contribution to the quantum theory of optical coherence光学相干的量子理论John L. Theodor Hall W. Hänsch for their contributions tothe development of laser-based precision spec-troscopy, including theoptical frequency combtechnique 基于激光的精密光谱学和光梳技术人物及获奖时间获奖原因K. Kao 高锟2009for groundbreakingachievementsconcerning thetransmission of light infibers for optical com-munication光通信中•19世纪末近代物理学晴朗天空上的三朵不祥乌云黑体辐射+光电效应+原子的分裂谱线时间及人物事件1900年，普朗克(1918获奖)(黑体辐射现象)提出“能量子”假说:能量交换不连续取值1905年,爱因斯坦(1921获奖)(光电效应现象)提出“光量子”假说E= hυ1913年,玻尔(1922年获物理奖)（原子的分裂谱线）电子在原子中只能处于一系列不连续的能级，不同能级间电子发生跃迁发出或吸收光子能量hυ=E2-E1激光发展史时间及人物 事件 1917年， 爱因斯坦从普朗克黑体辐射公式的推导中，物质发光与吸收必须能量守恒，理论上预言存在着原子受激辐射的可能性，为激光打下理论基础二战期间高频率微波雷达的研制，从实验上得出受激辐射增强的条件激光发展史时间及人物 事件1954年Charles H. Townes 微波量子放大器（MASER) 1958 年Townes and Schawlow 以及苏联科学家提出将MASER 原理推广到光波段1960年T.H. Maiman研制出世界上第一台激光器——红宝石激光器 1960年后至今各种激光器、激光技术应运而生。
激光被广泛应用，成为最重要的技术之一。
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?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Partially silvered endCoolingRuby rod Power Laser beamFlash lampFully silvered end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，在没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E 1E 2E 3 基态ΔE=E 2 –E 1= h uE 1E 2ΔE=E 2-E 1=h u受激吸收、自发辐射 ENERGYE2E1PHOTONABSORBED(A)E2E1PHOTON EMITTED(B)受激吸收 (A) 自发辐射 (B).光与原子相互作用过程E 1E 2ΔE=E 2-E 1=h u受激辐射 受激辐射和光放大过程E2ENERGYE1Stimulated emissionStimulated emission光与原子相互作用过程受激辐射和光放大•受激辐射过程：原子开始处于高能级E2,当外来光子所带的能量hυ=E 2-E 1 ，原子在此外来光子的诱发下从高能级E 2跃迁到低能级E 1•受激辐射光子特点，原子可发出与诱发光子全同的光子，频率(能量)相同，位相、偏振方向相同。
入射一个光子，出射两个全同光子——光放大——激光W ST /W AB =N 2/N 1 热平衡：波尔兹曼分布图NE 0 E 1 E 2 E 3 E 4EN=N exp[-(E-E )/kT]N 1N 2N 3N 4N 0受激辐射几率/受激吸收几率―粒子数反转”：为实现受激辐射占主导地位，N 2必须大于N 1，即激光介质中的原子必须激发或泵浦到一种非平衡分布状态。
这是形成激光的必要条件。
粒子数反转从抽水泵浦例子了解粒子数反转的可能性粒子数反转的实现——光泵浦N(a)(b)ENEN 1N 2E 1E 0Stimulated emission , ("laser action")Fast decayE 2E 1N 0MetastableStatePumpingE 2N 0N 2N 1 E 0三能级系统粒子数反转的实现——光泵浦四能级系统N(a)(b)ENEN 1 E 2E 1E 0Stimulated emissionE 2E 1E 0N 2N 1N 0Metastable StatePumpingN 2 N 3decayFast Fast decayN 3E 3 E 3Metastable StateN 0激光增益材料•原子或分子的能量已经处于反常分布的一类材料，在激发态的数目比在基态或能量较低的态的数目多，即存在粒子数反转。
有合适频率电磁能量的波动通过此类材料后，由于辐射的受激辐射而造成光放大—激光增益材料•符合条件的材料很多，作为工作介质用于激光器，可以得到性能各异的激光器激光增益介质材料光谱段波长 (nm) ArFKrFXeClHeCdN2紫外193248308325337Kr+HeCdAr+蓝色413442488Ar+Cu vapor绿色514.5510激光增益介质材料光谱段波长(nm)He-NeKr+RubyTi:sapphire GaAsGaAs/GaAlAs 红632.8647694.3670-1070850780Nd:YAG Nd:Glass COCO2红外106410535000-65009000-11000激光增益介质增益系数（gain coefficient）：gg～D N D N=Nj－Ni.I0 IlActive Medium激光增益介质I = I e0g .lI 0ILength of the active medium g largeg smalll 光在增益介质中经历路程越长，放大越大光学谐振腔lI 0I 3I 2I 1A C TIV E M E DIUMM IRRO RS光学谐振腔的奥妙•能量的充分利用：介质处在粒子数反转时，谐振腔使光来回反复，与上能级原子相互作用，产生受激辐射 •能量在空间上的高度集中：受激辐射来源于激光介质内的自发辐射，只有沿谐振腔轴线方向的光受激辐射才能放大。