光学绪论2011概要.ppt

1、光学,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。,绪论(光学概述),0.1 光学的研究内容和方法 光学(optics)是物理学的一个重要组成部分，是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的学科。 在物理学中，通常将光学划分为几何光学、波动光学、量子光学和现代光学几大部分。,几何光学(geometrical optics),几何光学是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，其主要内容有：光的直线传播定律、光

2、的独立传播定律、光的反射和折射定律；,波动光学(wave optics),波动光学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。 波动光学的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(quantum optics),量子光学是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(modern optics),现代光学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

3、的内容已在现代科学技术中起着十分重要和广泛作用。,光学的应用,非常广泛，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

4、。,0.2、光学发展简介,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,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468376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330275年)所著的光学一书中，研究了平面镜成象问题，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

5、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.Bacon12151294)，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一具望远镜的可能性。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。,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1

6、611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年首先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，就发现有与光的直线传播不完全符合的事实。 意大利人格

7、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试验，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年出版的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，1

8、678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，他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

9、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。,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

10、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。,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，18

11、56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年的理论研究中指出，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电磁单位与静电单位的比值的速度传播的，即电磁波以光速传播，这说明光是一种电磁现象。 这个理论在1888年被赫兹的实验所证实。他直接从频率和波长来测定电磁波的传播速度，发现它恰好等于光速，至此就确立了光的电磁理论基础，尽管关于以太问题，要在相对论出现以后才得到完全解决。,光的电磁理论在整个物理学的发展中起着

12、很重要的作用，光和电磁现象的一致性使人们在认识光的本性方面又前进了一大步。,十九世纪末、廿世纪初是物理学发生伟大革命的时代。从牛顿力学到麦克斯韦的电磁理论，经典物理学形成一套严整的理论体系。,20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机构中光的电磁理论的主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象，例如炽热黑体辐射中能量随波长分布的问题，特别是1887年赫兹发现的光电效应。 1900年普朗克提出了量子假说，认为各种频率的电磁波(包括光)，只能象微粒似地以一定最小份的能量发生(它称为能量子，正比于频率），成功地解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时期，1905年爱因斯坦发展了普朗

13、克的能量子假说，把量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，圆满解释了光电效应，并为后来的许多实验例如康普顿效应所证实 但这里所说的光子不同于牛顿微粒说中的粒子，光子是和光的频率(波动特性)联系的，光同时具有微粒和波动两种特性。,至此人们一方面从光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面从黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性粒子性。 如何将有关光的本性的两个完全不同的概念统一，人们进行了大量的探索工作，l924年德布罗意创立了物质波学说他设想每一物质的粒子都和一定的波相联系，这一假设在1927年为戴维孙和革末的电子束衍射实验所证实事实上，不仅

14、光具有波动性和微粒性，也就是所谓波粒二象性，而且一切习惯概念上的实物粒子同样具有这种二重性也就是说这是微观物质所共有的属性。1925年玻恩所提出的波粒二象性的几率解释建立了波动性和微粒性之间的联系。,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渊学科，光学的应用十分广泛。 几何光学本来就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科，随着科学技术的进步，物理光学也越来越显示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密测量中无可替代的手段，衍射光栅则是重要的分光仪器，光谱在人类认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等)方面曾起了关键性的作用。人们把数学、信息论

15、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。 由于激光具有强度大、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 ,教学内容,CH 1 光的干涉 CH 2 光的衍射 CH 3 光的偏振