现代物理学导论答案

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1、1、请说明激光的原理和特点。激光和普通光都是电磁波，都具有光学特性，都是在外因作用下发光物质内部运动的结果，但两者的产生过程和发光过程有着很大的不同。1.原子的能级原子由原子核和核外电子组成，电子受库仑力的作用绕原子核旋转。电子在核外绕核旋转的不同状态使原子处于不同的能量状态。正常情况下，多数原子处于最低能量状态，即基态，少数原子处于高于基态的能量状态，即激发态。能级越高，处于该能级上的原子越少。原子能级的转变称为跃迁。2.粒子数反转采用某种特殊方法，如光、电化学、甚至核能等手段使原子的能级分布倒过来（激励），即使某

2、个高能级上的原子数目多于某个低能级上的原子数目，这种原子在能级上的不正常分布称为粒子数反转．粒子数反转过程中，粒子吸收了一定能量从低能级跃迁到高能级，这是产生激光的必要条件之一．然而并非任何物质都能产生粒子数反转，只有能实现粒子数反转的物质才有可能产生激光，称为激光工作物质。3.受激辐射处于激发态的原子，自发从高能态到低能态的跃迁称自发跃迁，并以光的形式辐射出能量，称自发辐射。而在外界光子的作用下，原子从高能态向低能态跃迁，同时发出另一个光子，这一过程称受激辐射。受激辐射的特点是，外来光子的能量必须等于粒子中两个能级

3、间的能量差，这时才能产生受激辐射；受激辐射所产生的光子与外来光子的频率、相位、偏振、方向及速度等完全一致，同时产生光放大。4.激励源和谐振腔激励源又称泵浦源，是使激光工作物质实现粒子数反转的外加能源。激励方式有多种，如光激励、电激励等。谐振腔是由两块互相平行且垂直于工作物质中轴线的反射镜组成，其中一块为全反射镜，另一块为部分反射镜。激光的特点：１．方向性由于激光器谐振腔的限制，组成激光的光子只沿同一直线传播，所以光束的发散角极小。因此，激光在空间上的能量分布是高度集中的。２．高亮度光源的亮度是指光源表面单位面积上，单

4、位时间内，垂直于表面方向的单位立体角内发射出的光能量。激光光能在空间和时间上的高度集中，使其成为迄今最强的光源。3.单色性单色性是用某一光波颜色纯度或所含波长范围（即频带）宽窄来描述的，颜色越纯或频带越窄则表示该光波的单色性越好。激光光源是迄今具最好单色性的光源。４．相干性两束光波如果其频率相同，振动方向相同，相位保持恒定即可产生光的干涉现象，这两束光即称为相干光。激光器是最好的相干光源。在医学和生物学研究及应用中具有广阔前景。1、你的研究方向和激光（光学）有什么联系，或是会有什么潜在应用？我的专业是光学工程，主要研

5、究方向是计算显微成像。显微镜是光学应用的重要仪器，其依赖光学知识将肉眼看不到的微小物体进行成像，使得肉眼可见。显微镜使光源通过光阑或者滤光片等光学元件，透过的光照射样品，再通过光学系统对样品进行成像，使得人眼可以观察样品。现代显微镜成像局限于二维平面，同时，受限于物镜数值孔径，其放大率和视场大小难以同时兼顾，成像模式“所见即所得”。计算显微成像是在系统中添加光学编码，得到调制图像，经重构恢复，得到样品的更多信息，从而可以观察到传统显微镜无法观察到的信息，例如，三维成像，可以获得样品的三维定量信息；大视场高分辨率成像，

6、可以实现低倍物镜下高的分辨率等。总的来说，我们就是通过自主调控照射光，再通过设计的光学系统调制得到各类调制图像，再对调制图像进行解调，得到目标图像。其可应用于显微镜中，突破显微镜二维成像的限制，实现对样品三维定量观察。可应用于医疗检验，为医生进行病理判断提供更多的依据，减少误诊率。同时，还可应用于工业检测领域，实现对微小透明光学元件，例如，微透镜阵列，衍射光学元件等的高精度在线监测，对产品的质量提供更有效的判断依据。2、请详述诺奖百年历史中，哪个诺奖科学奖项目你印象最深（请详述诺奖内容和对你学科的影响）？------

7、---超分辨率显微镜2014年诺贝尔化学奖，三位科学家获奖，他们分别是：美国科学家埃里克·白兹格(EricBetzig)，德国科学家斯特凡·W·赫尔(StefanW.Hell)，美国科学家威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔(WilliamE.Moerner)，以表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成绩。3名科学家成功突破传统光学显微镜的极限分辨率，将显微技术带入“纳米”领域，让人类能以更精确的视角窥探微观世界。众所周知，光学显微镜是生物学家们深入了解细胞和组织内部微小结构的一双眼睛。但是，由于光线具有衍射特性，所以无法将光

8、线聚焦到非常小的焦点上。因此一直以来，传统的光学显微镜一直无法分辨两个距离非常近（这个距离小于观察波长的一半）的物体，光学显微镜的最大分辨率只能达到横向200纳米，纵向600纳米。这三位科学家以创新手段“绕过”这一极限，通过激光束激活荧光分子，在荧光分子发光的时候通过特别手段消除或过滤掉多余荧光，从而获得比“极限”更精确的成像。这次获奖的是两项