《物理光学》绪论

1、1绪论绪论Introduction主讲人：邓晓鹏主讲人：邓晓鹏 副教授副教授怀化学院物理与信息工程系怀化学院物理与信息工程系2主主 要要 内内 容容一、一、什么是光学什么是光学二、光学的研究对象二、光学的研究对象三、光学的发展简史三、光学的发展简史四、物理光学的应用四、物理光学的应用3一、什么是光学一、什么是光学光光是一种重要的自然现象，我们之所以能是一种重要的自然现象，我们之所以能看到客观世界中的景象，是因为眼睛接受看到客观世界中的景象，是因为眼睛接受物体发射、反射或散射的光。物体发射、反射或散射的光。光学光学是研究光的传播、光和物质相互作用、是研究光的传播、光和物质相互作用、光的本性以及光

2、的应用问题的学科。光的本性以及光的应用问题的学科。4二、光学的研究对象二、光学的研究对象经典光学：经典光学： 1. 1. 几何光学：几何光学： 光的传播、反射、折射、成像光的传播、反射、折射、成像 等。等。 2. 2. 物理光学物理光学 波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。 量子光学：光的吸收、散射、色散、光量子光学：光的吸收、散射、色散、光 的本性等。的本性等。5现代光学现代光学 激光光学：激光物理、激光技术、激光激光光学：激光物理、激光技术、激光 应用等。应用等。 全息光学：光学全息与信息处理等。全息光学：光学全息与信息处理等。 晶体光学：光波在晶体中的传播

3、及晶体晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体 的电光效应等。的电光效应等。 集成光学：集成光路理论及制造等。集成光学：集成光路理论及制造等。6 傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶 变换等。变换等。 激光光谱学：物质微观结构及分子运动规激光光谱学：物质微观结构及分子运动规 律的分析等。律的分析等。 非线性光学：光学介质与强光的相互作用。非线性光学：光学介质与强光的相互作用。 瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激 拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光7三、光学的发展简史三、光学的发展简史萌芽时期萌芽时

4、期几何光学时期几何光学时期波动光学时期波动光学时期量子光学时期量子光学时期现代光学时期现代光学时期8萌芽时期：远古萌芽时期：远古-15-15世纪末、世纪末、1616世纪初世纪初 光学的起源可追溯到古代，我国光学的起源可追溯到古代，我国春秋战国时期，春秋战国时期，墨翟墨翟（前（前468-468-前前376376）及其弟子所著的及其弟子所著的墨经墨经中，就记载着中，就记载着光的直线传播（影的形成和针孔成像等）光的直线传播（影的形成和针孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的反射等和光在镜面（凹面和凸面）上的反射等现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置及现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位

5、置及其大小与所用镜面的曲率联系起来。无论就时间还是其大小与所用镜面的曲率联系起来。无论就时间还是就科学性来讲，就科学性来讲，墨经墨经称得上是有关光学知识的最称得上是有关光学知识的最早记录。比希腊数学家欧几里德所著的早记录。比希腊数学家欧几里德所著的光学光学早早100100多年。多年。9 从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。缓慢。沈括沈括（1031-10951031-1095年）所著年）所著梦溪梦溪笔谈笔谈中，论述了凹面镜、凸面镜中，论述了凹面镜、凸面镜成像的规律，指出测定凹

6、面镜焦距成像的规律，指出测定凹面镜焦距的原理、虹的成因。的原理、虹的成因。培根培根（1214-12941214-1294年）提出用透镜校正年）提出用透镜校正视力和用透镜组成望远镜的可能性。视力和用透镜组成望远镜的可能性。10 到到1515世纪末和世纪末和1616世纪初，凹面镜、凸面镜、世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件的相继出眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件的相继出现，预示着新的时期即将到来。现，预示着新的时期即将到来。只对光有些初步认识，得出一些只对光有些初步认识，得出一些 零碎结论，没有形成系统理论。零碎结论，没有形成系统理论。特点：特点：11几何光学时期：几何光

7、学时期：1616世纪初世纪初-19-19世纪初世纪初 这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定这个时期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。到的研究提供了强有力的工具。到1717世纪中叶，基本世纪中叶，基本上已经奠定了几何光

8、学的基础。上已经奠定了几何光学的基础。12 1717世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究引向进一步发展的道路的研究引向进一步发展的道路。 牛顿根据光的直线传播性质，提牛顿根据光的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论。出了光是微粒流的理论。 惠更斯反对光的微粒说，从声和光惠更斯反对光的微粒说，从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太以太”中传播的波。中传播的波。特点：特点：一牛顿为代表的微粒说占统治地位，以惠一牛顿为代表的微粒说占统治地位，以惠更斯为代表的波动说也初步提出。更斯为代表的波动说也初步提出。13波动光学时期：

9、波动光学时期：1919世纪初世纪初-20-20世纪初世纪初 到了到了1919世纪初，初步发展起来的波动世纪初，初步发展起来的波动光学的体系已经形成。光学的体系已经形成。18011801年杨氏最先用年杨氏最先用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的由来并做了著名的膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双缝干杨氏双缝干涉实验涉实验”，还第一次成功的测定了光的波，还第一次成功的测定了光的波长。长。18151815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯斯菲涅耳原理。菲涅耳原理。 1

10、4 18081808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。现象和偏振光的干涉进行了研究。 18451845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。麦克斯韦在的内在联系。麦克斯韦在18651865年的理论研究说明光年的理论研究说明光是一种电磁现象。这个理论在是一种电磁现象。这个理论在18881888年被赫兹的实验年被赫兹的实验所证实。至此，确立了光的电磁理论。所证实。至此，确立了光的电磁理论。15 光的电磁理论

11、在整个物理学的发展中起着很重光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它指出光和电磁现象的一致性，使人们要的作用，它指出光和电磁现象的一致性，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。在认识光的本性方面向前迈出了一大步。 光速的测定。光速的测定。 物理学大厦：物理学大厦： 力、热、电磁、光力、热、电磁、光 两朵乌云：两朵乌云： 热辐射、迈克尔逊热辐射、迈克尔逊莫雷实验（以太）莫雷实验（以太）16量子光学时期：量子光学时期：2020世纪初世纪初-20-20世纪中世纪中 1919世纪末到世纪末到2020世纪初，光学的研究深世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观入到光的发生

12、、光和物质相互作用的微观机制中，开始了量子光学时期。机制中，开始了量子光学时期。19051905年爱年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论，圆满地解了杰出的光量子（光子）理论，圆满地解释了光电效应，并被后来的许多实验（例释了光电效应，并被后来的许多实验（例如康普顿效应）证实。如康普顿效应）证实。17 至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面通过振等光学现象证实了光的波动性；另一方面通过黑

13、体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性的量子性粒子性。粒子性。 光的本性光的本性物质（实物和场）的本物质（实物和场）的本性性波粒二象性波粒二象性18现代光学时期：现代光学时期：2020世纪中世纪中- - 三件大事：三件大事： 1948 1948 全息术全息术 1955 1955 光学传递函数光学传递函数 1960 1960 激光器的诞生激光器的诞生19四、物理光学的应用四、物理光学的应用 精密测量精密测量表面粗糙度、平面度、长度、角度测量，像表面粗糙度、平面度、长度、角度测量，像差、成像质量评价，干涉仪，光栅光谱仪。差、成像质量评价，干涉仪，

14、光栅光谱仪。 通信通信 医疗医疗 国防国防20五五、参考、参考网站网站http:/http:/ 光光谷谷社区社区http:/http:/光电光电工工程师社区程师社区http:/http:/飞达光学网飞达光学网 http:/http:/松铖光学松铖光学http:/http:/激光世界激光世界 httphttp:/:/中国光学薄膜中国光学薄膜在线在线 http:/http:/中国光学光电子行业业网网http:/http:/中国光学期刊网中国光学期刊网 国内国内21http:/http:/ 光

15、光学快报学快报/EJ/EJ（期刊中心）（期刊中心）http:/http:/ http:/http:/ /http:/http:// / （MITMIT光物理实验光物理实验室）室）http:/www.physics.gla.ac.uk/Optics/publications/ http:/www.physics.gla.ac.uk/Optics/publications/ （英国（英国University of GlasgowUniversity of Glasgow）http:/mapageweb.umontreal.ca/hamamh/teach.htmhttp:/mapageweb.umontreal.ca/hamamh/teach.htm ( (光、电信光、电信号处理英文号处理英文教程教程) )/cm/new/viewleot.htm/cm/new/viewleot.