光學(xué)基礎(chǔ)緒論

1、1,光 學(xué) 教 程,（第四版） 姚啟鈞原著 華東師大《光學(xué)》教材 編寫組改編,2,主要參考書,1、母國(guó)光等《光學(xué)》，人民教育出版社2、張阜權(quán)等《光學(xué)》，北京師范大學(xué)出版社3、趙凱華等《光學(xué)》，北京大學(xué)出版社4、E.赫克特等《光學(xué)》，人民教育出版社5、蘭斯別爾格 《光學(xué)》，人民教育出版社,3,編排特

2、點(diǎn),波動(dòng)光學(xué)：第1章 光的干涉、第2章 光 的衍射、第5章 光的偏振幾何光學(xué)：第3章幾何光學(xué)的基本原理、第4章 光學(xué)儀器的基本原理光與物質(zhì)間的相互作用：第6章 光的吸收、散射和色散量子光學(xué)：第7章 光的量子性現(xiàn)代光學(xué)：第8章 現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ),4,經(jīng)典光學(xué)： 1. 幾何光學(xué) 光的傳播、反射、折射、成像等。 2. 物理光學(xué) ①波動(dòng)光學(xué)：光的干涉、衍射、偏振等。 ②量子光學(xué)：光的吸收、散射、色散

3、、光的本性等。,5,現(xiàn)代光學(xué) ①激光光學(xué)：激光物理、激光技術(shù)、激光應(yīng)用等。 ②全息光學(xué)：光學(xué)全息與信息處理等。 ③晶體光學(xué)：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應(yīng)等。 ④集成光學(xué)：集成光路理論及制造等。,6,⑤ 傅立葉光學(xué)：光學(xué)傅立葉分析、傅立葉變換等。 ⑥ 激光光譜學(xué)：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析等。 ⑦ 非線性光學(xué)：光學(xué)介質(zhì)與強(qiáng)光的相互作用。 瞬態(tài)光學(xué)、光纖通信、光

4、信息存儲(chǔ)、受激拉曼散射、受激布里淵散射、飛秒激光……,緒論Introduction,,8,0.1光學(xué)的研究?jī)?nèi)容和方法,光的本性----光是什么光的傳播、發(fā)射、接收等規(guī)律光和物質(zhì)相互作用----吸收、散射、色散和光的機(jī)械作用，光的熱、電、化學(xué)和生理效應(yīng)光在生產(chǎn)和社會(huì)生活中的應(yīng)用,一、光學(xué)的研究?jī)?nèi)容,9,二、光學(xué)的重要性,年輕而古老：光纜、光盤等——遠(yuǎn)古到現(xiàn)代基礎(chǔ)加應(yīng)用：力、熱、電、光——工業(yè)、農(nóng)

5、 業(yè)、軍事、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、電 子學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、生物、 通信等理論與實(shí)驗(yàn)：張量、卷積、相關(guān)、δ函數(shù)、 傅氏變換——普通光學(xué)實(shí)驗(yàn)、 近代光學(xué)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)等,10,三、光

6、學(xué)的研究方法 實(shí)踐----假說----理論----實(shí)踐,11,0.2光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,萌芽時(shí)期幾何光學(xué)時(shí)期波動(dòng)光學(xué)時(shí)期量子光學(xué)時(shí)期現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期,12,0.2.1 萌芽時(shí)期：（遠(yuǎn)古~15世紀(jì)末、 16世紀(jì)初） 人與光的聯(lián)系非常緊密，人類感官收到外部世界的總信息量中，至少有90%是通過眼睛獲得的。光學(xué)的起源可追溯到古代。,13,我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨翟（前468~前376）及其弟子所著的《墨經(jīng)》中有條關(guān)于

7、光的記錄：（1）影的定義與生成；（2）光與影的關(guān)系；（3）光進(jìn)行的直線性，并用針孔成像說明；（4）光有反射的性能；（5）光和光源的關(guān)系而定影的大?。唬?）敘述平面鏡中物和像的關(guān)系；（7）敘述凹球面鏡中物和像的關(guān)系；（8）敘述凸球面鏡中物和像的關(guān)系。這是最早的關(guān)于光的文字記載，它給出了幾何光學(xué)性質(zhì)的正確的、較全面的記載。,14,希臘的歐幾里得（公元前300—275）也曾在書中記錄：我們假想光是以直線進(jìn)行的，在線與線之間還留出一些空隙來，光

8、線自物體到人眼成為一錐體，錐頂在人眼，錐底在物體，只有被光碰到的東西才給我們看見，沒有碰上的東西就看不見了。這段記錄給出了光的直線傳播性質(zhì)，但錯(cuò)誤的認(rèn)為從人眼向被看見的物體伸展著某些類似觸須似的東西。,15,從墨翟開始的兩千多年的漫長(zhǎng)歲月構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展的萌芽時(shí)期，在此期間光學(xué)發(fā)展比較緩慢。人類的光學(xué)知識(shí)僅限于一些現(xiàn)象和簡(jiǎn)單規(guī)律的描述，如光以球面形式從光源發(fā)出，入射光線和反射光線共面且垂直于界面等等。到15世紀(jì)末和16世紀(jì)初，凹面鏡、凸面

9、鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學(xué)元件的相繼出現(xiàn)，預(yù)示著新的時(shí)期即將到來。,16,0.2.2幾何光學(xué)時(shí)期： （16世紀(jì)初~19世紀(jì)初） 這一時(shí)期可以稱為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這個(gè)時(shí)期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。同時(shí)為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學(xué)儀器，第一架望遠(yuǎn)鏡的誕生促進(jìn)了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的工具。到17世紀(jì)中

10、葉，基本上已經(jīng)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。,17,17世紀(jì)下半葉，牛頓和惠更斯等人把光的研究引向討論光的本性的方向上。牛頓根據(jù)光的直線傳播性質(zhì)，提出了光是微粒流的理論?；莞狗磳?duì)光的微粒說，從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波。這一時(shí)期中，在以牛頓為代表的微粒說占統(tǒng)治地位的同時(shí)，以惠更斯為代表的波動(dòng)說也初步提出來了。,18,0.2.3 波動(dòng)光學(xué)時(shí)期 （19世紀(jì)初~20世紀(jì)初）

11、 到了19世紀(jì)初，初步發(fā)展起來的波動(dòng)光學(xué)的體系已經(jīng)形成。1801年楊氏最先用干涉原理令人滿意的解釋了白光照射下薄膜顏色的由來并做了著名的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”，還第一次成功的測(cè)定了光的波長(zhǎng)。1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。,19,因此，到十九世紀(jì)中葉，光的波動(dòng)理論戰(zhàn)勝了微粒學(xué)，而牢固的建立起來了。 惠更斯的舊波動(dòng)理論的弱點(diǎn)和微粒理論一樣，它們都帶有機(jī)械論的

12、色彩，認(rèn)為光是一種彈性波，這樣就必須臆想一種特殊的彈性媒質(zhì)----以太充滿空間。為了不與觀測(cè)事實(shí)相抵觸，以太必須具有極其矛盾的屬性：密度極小和彈性模量極大，這不僅在實(shí)驗(yàn)中無法證實(shí)，在理論上也行不通。,20,1808年馬呂斯偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象。隨后菲涅耳和阿拉果對(duì)光的偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進(jìn)行了研究。 1845年法拉第揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。麥克斯韋在1865年的理論研究說明光是一種

13、電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在1888年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。至此，確立了光的電磁理論。,21,光的電磁理論在整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展中起著很重要的作用，它指出光和電磁現(xiàn)象的一致性，使人們?cè)谡J(rèn)識(shí)光的本性方面向前邁出了一大步。 光速的測(cè)定。 物理學(xué)大廈： 力、熱、電磁、光 兩朵烏云： 熱輻射、邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)（以太）,22,量子光學(xué)時(shí)期：十九世紀(jì)末~20世紀(jì)中

14、 19世紀(jì)末到20世紀(jì)初是物理學(xué)發(fā)生偉大變化的時(shí)代，在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典理論不能解釋的現(xiàn)象。在光學(xué)中，有黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象，經(jīng)典物理大廈受到越來越多的攻擊。光學(xué)的研究在深入到光的發(fā)射，光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)構(gòu)中時(shí)，光的經(jīng)典理論就不能解釋某些現(xiàn)象了。,23,1900年，普郎克提出了量子假設(shè)，認(rèn)為各種頻率的電磁波，只能像微粒似的以一定最小份額的能量發(fā)生，正比于頻率，而解決了這個(gè)難題。另一個(gè)顯示光的微粒性的重要發(fā)現(xiàn)

15、是光電效應(yīng)，即光照射在金屬表面會(huì)使電子逸出，逸出的電子與光的強(qiáng)度無關(guān)，而與光的頻率有關(guān)。1905年，愛因斯坦建立了光的量子理論，成功的解釋了這個(gè)問題。不僅如此，愛因斯坦還指出經(jīng)典理論只適用于速度遠(yuǎn)小于光速的情況，愛因斯坦的理論還徹底的拋棄了“以太”。,24,至此，人們一方面通過光的干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；另一方面通過黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等又證實(shí)了光的量子性——粒子性。 光的本性——物質(zhì)