光学课件：绪论

光学

一从光到光学几个小问题1、光是什么？2常见的光现象？3光学研究什么？4光学有哪些成就？5光学的应用有哪些？6中、外光学人物？7对本课程的期望是什么？

简单说，光是一种重要的自然现象。我们所以能够看到客观世界中五彩缤纷、瞬息万变的景象，是因为眼睛接收物体发射、反射或散射的光。据统计，人类感官收到外部世界的总信息量中，至少有90％以上通过眼睛。获取信息借助工具或仪器十分有趣：偏振光时钟在这款挂钟的表盘上，您只能看到指针当前所在位置的数字，而看不到其他数字。设计师将物理学中的偏振镜原理应用到钟表设计之中，指针与表盘上分别带有偏振片，当两片偏振片重合时，光线便无法通过，当前的时间数字就会显现出来。光污染！照耀宇宙呈现万物让世界绚丽多彩为生命体和医疗带来帮助激光：高能量与大容量通讯……光光学二光是什么？

光是什么？粒子流弹性波电磁波量子性波粒二象性粒子说波动说量子性电磁说波粒二象性光是什么？笛卡尔、牛顿……惠更斯、菲涅耳、托马斯-杨……法拉第、麦克斯韦、阿喇果……赫兹、普朗克……爱因斯坦、康普顿……著名的人物主要观点？事实依据？ReneDescartes(1596-1650)笛卡尔提出了两点假设1光是类似于微粒的一种物质2光是一种以“以太”为媒质的压力为“微粒说”和：“波动说”的争论埋下了伏笔格里马第发现了光的衍射现象格里马第：光通过小孔后的光影明显变宽了，光是与水波类似的一种流体。波义耳：物体的颜色是光照射在物体上产生的效果。胡克：光是以太中的一种纵向波。胡克对牛顿的论文持否定态度牛顿：棱镜色散，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开。波动说与微粒说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论！RobertHooke，1635－1703Huygens(1629-1695)惠更斯提出了波动说比较完整的理论惠更斯：光是一种机械波；光波是靠物质载体来传播的纵向波；惠更斯原理证明了光的反射定律和折射定律，解释了光的衍射现象和双折射现象IsaacNewton1643—1727整个十八世纪，微粒说被顶礼膜拜！牛顿的微粒说逐步建立牛顿修改、完善了他的著作《光学》，牛顿提出了两点反驳惠更斯的理由牛顿把他的微粒说推广到整个自然界，并和质点力学结合起来胡克和惠更斯已经去世，波动说一方无人应战牛顿声望日渐提高托马斯·杨提出光的干涉光是以太中的弹性振动1801年，双缝干涉实验1803年，衍射是直射光束和反射光束干涉形成的纵波的观点，受到激烈的批评1817年，杨氏放弃纵波观点，提出光是横波，建立新的波动理论1808年，马吕斯发现了光的偏振现象，纵波不可能有偏振反对波动说的有利证据1815年，菲涅尔提出，各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度1819年，菲涅尔双镜干涉实验，建立光波的横向波动理论Fresnel(1788-1827)新的波动说牢固地建立起来了！寻找光波载体菲涅尔：横波的媒介应当是类固体以太如果是一种固体，它怎么能不干扰天体的自由运转呢？以太如果是一种固体，在横向振动中必然要有纵向振动，与光是横波矛盾！1887年，迈克耳逊-莫雷实验，否定了以太的存在。光波的载体是什么？法拉第-麦克斯韦，光的电磁理论1845年，法拉第发现，电磁场可以使光的振动面旋转麦克斯韦方程组，电磁波的速度与光速的关系赫兹发现了电磁波，改写了麦克斯韦方程组，电磁波的传播不需要媒介法拉第(1791-1867)JamesClerkMaxwell(1831-1879)光的波粒二象性1887年，赫兹发现光电效应——光的粒子性1900年，普朗克提出辐射的能量子假设1905年，爱因斯坦解释光电效应，波粒二象性1921年，康普顿效应，X射线具有粒子性光具有波粒二象性MaxPlanck(1858—1947)AlbertEinstein(1879-1955)三、光学概述研究光的本性，光的辐射、传播和接收的规律光和其他物质的相互作用（如物质对光的吸收、散射、光的机械作用和光的热、电、化学、生理效应等）光学在科学技术等方面的应用。几何光学波动光学量子光学现代光学

几何光学(geometricaloptics)根据光波在短波极限下所表现出的直线传播性质为基础，用几何作图法来研究光的传播、成像等问题，其主要内容：光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射和折射定律；波动光学(waveoptics)从光的电磁波本性出发，以光的波动性为基础，研究光在传播过程中的规律性问题。主要内容包括：光的干涉、光的衍射和光的偏振，同时还研究光与物质相互作用的色散、吸收和散射等现象。量子光学(quantumoptics)以光和物质相互作用时所表现出的量子性为基础来研究有关的光学问题，并由此揭示出光的粒子性。现代光学(modernoptics)是指近几十年来新兴和发展起来的光学各分支，它主要包括如激光、信息光学（傅里叶变换光学）、光通讯、非线性光学、集成光学等内容，这些新的光学领域所研究的内容已在现代科学技术中起着十分重要和广泛作用。四光学的应用从二十世纪六十年代起，随着新技术的出现，新的理论也不断发展，已逐步形成了许多新的分支学科或边缘学科，光学的应用十分广泛。它不仅在科技领域中起着重要作用，而且也与人类日常的生活活动息息相关。例如，从最早期光学望远镜的设计到现在各种光学仪器的研制，都无不与几何光学紧密相联，可以说几何光学就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科。而在波动光学中，利用光的干涉原理制成的各种干涉仪器仍是目前精密测量中无可替代的手段，许多重要的分光仪器则是依靠衍射光栅来工作的。光谱分析不仅是人类认识物质的微观结构，如原子结构、分子结构等的窗口，也是人类窥探宇宙天体信息的重要工具；最近几十年来，激光的发明和现代光学的迅速发展又把人类带入了一个神奇的信息化高科技时代。人们把数学、信息论与光的衍射结合起来，发展起一门新的学科——傅里叶光学，把它应用到信息处理、像质评价、光学计算等技术中去。特别是激光的发明，可以说是光学发展史上的一个革命性的里程碑。激光具有强度大、单色性好、方向性强等一系列独特的性能，自从它问世以来，很快被运用到材料加工、精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业等极为广泛的技术领域，取得了优异的成绩。此外，激光还为同位素分离、催化、信息处理、受控核聚变、以及军事上的应用，展现了光辉的前景。光学纤维已发展成为一种新型的光学元件，为光学窥视和光通讯的实现创造了条件。激光光谱学在人类认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等)方面发挥着关键性的作用。非线性光学

……光学应用案例一光学在现代建筑中的应用1汇丰银行大楼“日光镜”1汇丰银行大楼“日光镜”香港的汇丰银行大楼用日光镜给大楼的办公大厅提供天然照明。在办公大楼外面高50m的空中悬挂着一个由许多块平面镜组成的阵列，它长30m、宽5m，天空射来的太阳光先由这个平面镜阵列反射到办公大厅顶部的凸镜阵列上，凸镜阵列再把太阳光向下反射，照亮大厅。整个系统由电脑控制，随着太阳光方向的改变，反射镜阵列的方向也跟着改变。2酒店墙面反射光线烧伤多人

美国赌城拉斯维加斯,一家新酒店的设计像个凹面镜，导致多个客人被其墙面聚焦的阳光严重烧伤。这栋建筑物的设计让阳光像经过放大镜一样聚焦在游泳池旁一个13.5平米左右的区域。随着地球的转动，这块区域会转移穿过游泳池，区域里的温度会比外面高大约20度。酒店发言人表示，阳光反射的问题在大楼的设计阶段就被讨论过了，但他们认为给玻璃贴上高科技的薄膜后就不会给人们造成伤害。拉斯维加斯新开酒店凹面镜反射光“烤熟”住客—在线播放—优酷网，视频高清在线观看/v_show/id_XMjEyMzM5MjE2.html3光污染4橱窗设计（C）用偏光镜消除了反射偏振光使玻璃门内的人物清晰可见（A）玻璃门表面的反光很强（B）用偏光镜减弱了反射偏振光光学应用案例二照亮21世纪的LED灯——解读2014年诺贝尔物理学奖白炽灯点亮了20世纪，21世纪将由LED灯点亮。尽管此前红光ＬＥＤ和绿光ＬＥＤ已经存在了很长一段时间，并被应用于机器仪器的显示光源，但由于光的三原色包含红、绿、蓝，蓝色光源的缺失，令照明的白色光源始终无法创建。无论是在科学界还是工业界，如何造出蓝光ＬＥＤ曾困扰了人们数十年。1973年，当时在松下电器公司东京研究所的赤崎勇最早开始了蓝光LED的研究。后来，赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作进行了蓝光LED的基础性研发，1989年首次研发成功了蓝光LED。而中村修二当时任职于日亚化学工业公司，他的实用化研究让该公司于1993年首次推出LED照明成品，从而引发了照明技术革新。

ＬＥＤ灯高效节能且寿命长久，能持续照亮约10万小时，而白炽灯和荧光灯的寿命仅为1000小时和１万小时。这种灯诞生以来也一直在不断提高发光效率，最新纪录达到了每瓦功率产生300流明的亮度，相当于白炽灯的15倍。诺贝尔奖评选委员会在关于获奖成就的声明中指出：“白炽灯照亮了20世纪，那么21世纪将是被ＬＥＤ灯照亮的。”

目前，世界上四分之一的电力用于照明，蓝光LED以及LED照明的发明有助于全球节能。LED灯对电力的要求非常低，依靠当地低成本的太阳能便可使用。这种新型光源的问世为全球15亿未能受益于电网的人口带来了更高生活品质。五教学内容及安排教学内容CH1光的干涉CH2光的衍射CH3几何光学基本原理CH4光学仪器的基本原理CH5光的偏振CH6

光的吸收、散射和色散CH7

光的量子性CH8

现代光学基础参考书目：赵凯华等，《光学》，北京大学出版社

M.Born，E.Wolf，《光学原理》（PrinciplesofOptics），电子工业出版社E.Hecht，《光学》(Optics)，高等教育出版社宣桂鑫，光学教程学习指导书，高等教育出版社教学方式课堂教学课题研究与报告课后作业课后答疑）考核方式平时上课及作业10%课题讨论及汇报40%书面考试50%以教师为主导，以学生为主体！课题及分组55人，分成8组，每组6~7人本学期共有两个方面的课题每个人都要参与两个课题的调研讨论Word文件和+ppt文稿时间安排：第10、12、14、16周的周四上午论文要求：科学性内容和组织研究范围清楚、准确理解程度标题页：题目，摘要，内容目录，图表清单多用语言，少用方程正确使用图形、图片正确引用，采用脚注、尾注或列出参考文献使用自己的语言篇幅：10~15页报告要求：认真制作、合理使用幻灯片幻灯片多用图片，少用文字讲解背景理论，实验方法，收集的资料，获得的结果10~15分钟事前练习课题1：光学与应用基本原理应用领域产品与工艺产业现状改进与创新：新应用、新产品……眼镜的光学：成像、镀膜、偏振照相机、望远镜、放大镜、LED灯光污染与交通安全、光污染与人健康光学与建筑海市蜃楼CD、DVD技术光纤与互联网、光计算机太阳能光学与军事隐形飞机激光武器汽车镀膜菲涅尔公式的应用：反射与折射折射率的选择，膜厚度的选择，车膜材料及工艺的调查光学在建筑中的应用：照明、太阳能的利用、人工双折射用于应力分析光学在军事领域的应用：侦查、武器、通讯、测距光学在气象领域的应用：大气监测光学在通讯领域的应用：光纤通讯、光学在制造业中的应用：激光焊接、切割、光学在医疗中的应用：x光拍片、内窥镜、矫正视力、治疗近视、光学在检测领域的应用：光电检测观测仪器的发展历程：助视仪器课题2基于matlab的光学原理与现象的仿真实现双缝干涉的原理、仿真及应用等倾干涉的原理、仿真及应用等厚干涉（劈尖、牛顿环）原理、仿真及应用多光束干涉的原理、仿真及应用单缝衍射的原理、仿真及应用光栅衍射的原理、仿真及应用夫琅和费圆孔衍射的原理、仿真及应用椭圆偏振光的产生旋光现象的原理、仿真及应用会聚偏振光的干涉，原理、仿真及应用……一、光学发展萌芽时期几何光学时期波动光学时期量子光学时期现代光学时期萌芽时期光学的起源应追溯到远古时代。我国春秋战国之际，墨翟(公元前468~376年)及其弟子提出了一系列经验规律，因此《墨经》称得上是有关光学知识的最早记录。比墨经大约迟一百多年，在希腊数学家欧几里德(Euclid，公元前330~275年)所著的《光学》一书中，研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角的反射定律，同时提出了将光当作类似触须的投射学说。其他希腊哲学家如毕达哥拉斯、德漠克利持、思培多克勒、柏拉图、亚里士多德等也发表了有关光学方面的的理论。

罗马帝国的灭亡(公元475年)大体上标志着黑暗时代的开始，在此之后，欧洲在很长一段时间里科学发展缓慢，光学亦是如此。

罗杰尔·培根(R·Bacon1215—1294)，许多人都认为他是第一个近代意义上的科学家。他似乎已经有了用透镜来改正视觉的想法，并且甚至暗示过把透镜组合起来构成望远镜的可能性。培根对光线穿过透镜的方式也有一些了解。在培根去世之后光学又衰落了。

几何光学时期十七世纪可以称为光学发展史上的转折点。在这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。同时为了扩大人眼的观察能力，出现了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明使生物学的研究有了强有力的工具。

荷兰的李普塞在1608年发明了第一架望远镜。开普勒于1611年发表了他的著作《折光学》，提出照度定律，还设计了几种新型的望远镜，他还发现当光以小角度入射到界面时，入射角和折射角近似地成正比关系。折射定律的精确公式则是斯涅耳和笛卡儿提出的。1621年斯涅耳指出，入射角的余割和折射角的余割之比是常数，而笛卡儿约在1630年在《折光学》中给出了用正弦函数表述的折射定律。接着费马在1657年指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理，并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。综上所述，到十七世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础。

早先关于光的本性的概念，是以光的直线传播观念为基础的。但从十七世纪开始，陆续发现有与光的直线传播不完全符合的事实。意大利人格里马第首先观察到光的衍射现象，接着，胡克也观察到衍射现象，并且和波意耳独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹，这些都是光的波动理论的萌芽。

十七世纪下半叶，牛顿和惠更斯等把光的研究引向进一步发展的道路。1672年牛顿完成了著名的三棱镜色散实验，并发现了牛顿圈（但最早发现牛顿圈的却是胡克）。在发现这些现象的同时，牛顿于公元1704年出版了《光学》，提出了光是微粒流的理论。他认为这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动，并以此观点解释光的反射和折射定律。然而在解释牛顿圈时，却遇到了困难。同时，这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。惠更斯反对光的微粒说，1678年他在《论光》一书中从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波．运用他的波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了方解石的双折射现象。但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，他没有指出光现象的周期性，没有提到波长的概念。他的次波包络面成为新的波面的理论，没有考虑到它们是由波动按一定的位相叠加造成的．归根到底仍旧摆脱不了几何光学的观念，因此不能由此说明光的干涉和衍射等有关光的波动本性的现象．与此相反，坚持微粒说的牛顿却从他发现的牛顿圈的现象中确定光是周期性的．

综上所述，这一时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，由于相继发现了干涉、衍射和偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了，因而这个时期也可以说是几何光学向波动光学过渡的时期，是人们对光的认识逐步深化的时期．

光的理论在十八世纪实际上没有什么进展．大多数科学家采纳了光的微粒学说。波动光学时期

1801年杨氏最先用干涉原理令人满意地解释了白光照射下薄膜颜色的由来和用双缝显示了光的干涉现象，并第一次成功地测定了光的波长。1815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斯—菲涅耳原理．运用这个原理不仅圆满地解释光在均匀的各向同性介质中的直线传播，而且还能解释光通过障碍物时所发生的衍射现象，因此它成为波动光学的一个重要原理。

1808年马吕斯发现光在两种介质表面上反射时的偏振现象，随后菲涅耳和阿喇果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。为了解释这些现象，杨氏在1817年提出了光波和弦中传播的波相仿的假设，认为它是一种横波．菲涅耳进一步完善了这一观点并导出了菲涅耳公式．至此，光的弹性波动理论既能说明光的直线传播也能解释光的干涉和衍射现象并且横波的假设又可解释光的偏振现象．看来似乎十分圆满了。但这时仍把光的波动看作是“绝对以太”中的机械弹性波动，至于“绝对以太”究竟是怎样的物质，尽管人们赋予它许多附加的性质，仍难自圆其说。这样，光的弹性波理论存在的问题也就暴露出来了。光的电磁理论1845年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光学现象和电磁现象的内在联系，1856年韦伯做的电学实验结果，发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度即300000000米／秒．从这些发现中，人们得到了启示，即在研究光学现象时，必须和其它物理现象联系起来考虑。

麦克斯韦在1865年指出，电场和磁场的改变不会局限在空间的某一部分，而是以数值等于电荷的静电单位与电磁单位的比值的速度传播的，即电磁波以光速传播，这说明光是一