物理光学课件：00绪论

1、物理光学,1. 光学的研究对象、地位和特点,2. 光学的历史光的本性,3. 物理光学的内容,4. 学习方法建议,绪 论,绪 论,光学的研究对象：光的本性以及光的发射、传播、接收、光与物质相互作用等方面的规律,光是一种重要的自然现象 光学是物理学的一个重要分支 光学学科是一门应用性极强的基础学科,绪 论,1. 光学的研究对象、地位和特点,光学的研究目标和应用： 传统光学光信息获取，光的发射、传播、接收、成像等； 现代光学光子作为工具和媒介，探测、研究、控制物理世界，光与物质相互作用等方面的规律。,4,光学的分类,几何光学光的传播、反射 波动光学光的干涉、衍射和偏振，电磁波、麦氏方程组 量子光学光

2、的波粒二相性,绪 论,1. 光学的研究对象、地位和特点,传统光学：几何光学，物理光学（波动光学+傅立叶光学）,几何光学：以光的直线传播性质为基础，研究光线在透明介质中的传播问题，主要内容是成像,波动光学：以光的电磁理论为基础，研究光的传播、光和物质的相互作用规律，主要内容是干涉、衍射、偏振,傅立叶光学：以傅立叶分析的方法，研究波动光学的某些问题，包括光学信息处理，全息术等,绪 论,1. 光学的研究对象、地位和特点,现代光学：激光(量子电子学)，非线性光学，量子光学，光子学,激光(量子电子学)：激光的产生、传输、放大、转换的原理和技术，物理基础是量子力学和电动力学,非线性光学：强光与物质相互作用

3、的原理和技术及应用，物理基础是量子力学和电动力学和电动力学,量子光学：以光子的量子效应的研究，物理基础是量子力学,绪 论,1. 光学的研究对象、地位和特点,光子学：研究光子的产生、放大、传输、控制和探测，以及把这些技术应用于能量产生、通信、信息处理等的科学。,现代光学 激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。 全息光学：光学全息与信息处理等。 集成光学：集成光路理论及制造等。 傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。 激光光谱学：物质微观结构及分子运动规律的分析。 非线性光学：光学介质及强光的相互作用。 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,光是一种高速运

4、动着的微粒流。 微粒说能够很好地解释光在均匀介质中的直线传播以及在两种介质分界面上的反射规律，但在解释折射现象时，会得出与实际情况相反的结果光在密介质中的速度应大于疏介质中的，并且微粒说也不能解释光的干涉、衍射和偏振等现象。,(1) 牛顿（I. Newton）的微粒说（17世纪）,绪 论,2. 光学的历史光的本性,(2) 惠更斯（C. Huygens）的波动说,光是在充满整个空间的特殊介质“以太”中传播的某种弹性波，因此服从波动的传播规律惠更斯原理。,利用惠更斯原理不仅能够正确解释光的直线传播和反射定律，也能够正确解释光的折射定律及双折射现象。,(3) 杨氏（T. Young）双孔干涉实验与波

5、动说的重新兴起,分别通过两个小孔的两束光在屏幕上的重叠区域内形成一组明暗相间的条纹。包含了光波波长的概念，并初步测定出了光波波长的大小。,绪 论,2. 光学的历史光的本性,设计了双平面镜和双棱镜干涉实验，进一步证实了杨氏关于双孔干涉现象解释的正确性； 发现并解释了菲涅耳衍射； 总结出了菲涅耳公式及菲涅耳方程。,(4) 菲涅耳（A. J. Fresnel）对光的波动说的贡献,绪 论,2. 光学的历史光的本性,(5) 麦克斯韦电磁理论（19世纪60年代初）,得出了著名的麦克斯韦方程组，预言出电磁波的存在，并且推算出电磁波在真空中的传播速度与测量到的光速值极为接近，进一步预言光是一种电磁波动，诞生了

6、光的电磁理论。,赫兹（H. R. Hertz）通过一系列实验于1888年证实了电磁波的存在。,麦克斯韦（J. C. Maxwell）的贡献：,电磁波的实验证实：,绪 论,2. 光学的历史光的本性,迈克耳孙（A. A. Michelson）和莫雷（E. W. Moley）于1887年设计出一台精密的干涉仪 结论：通过任何实验都不可能观察到地球相对于以太运动的任何效应,麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是通过“以太”传播的。,1905年，爱因斯坦（A. Einstein）发表了著名的狭义相对论，彻底否定了“以太”的存在；同时还假设，光在真空中始终是以恒定的速度传播，与光源或观察者的运动状态无关。,绪

7、 论,2. 光学的历史光的本性,(7) 电磁波动说的困境,激光与新效应 光是一种特殊的客体，具有波粒二象性,对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用何种假设，只要是以电磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。,(8) 量子论的提出,普朗克（M. Planck）的黑体辐射公式 爱因斯坦的光电效应方程 “光子（photon）”概念的提出,(9) 光的本性的再认识,绪 论,2. 光学的历史光的本性,激光技术，信息光学，非线性光学，导波光学,以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪、照相机等为代表的各种光学仪器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的应用,现代光学的重要标志：,传统光学的研究对象：,绪 论,现代

8、光学的主要标志激光和光子学,光子学是一门研究光子的产生、放大、传输、控制和探测，以及把这些技术应用于能量产生、通信、信息处理等的科学。,光子的特性：玻色子，不带电荷，不易发生交互作用。因此光束可以在空间交叉通过而不互相影响；光子在真空中的速度为常数光速c。高速、并行、量子效应等等。 对比：电子学控制电子传输、控制和处理信息。,绪 论,光学的发展趋势光子学的崛起, 基础理论：光物理学、激光物理学、非线性光学、激光光谱学、量子光学、电光学、声光学、集成光学、导波光学、纤维光学、全息光学、相位共轭光学等。, 基础技术：红外技术、激光技术、超短光脉冲技术、激光光谱技术、激光谐振腔技术、激光选模技术、激

9、光调Q技术、激光调谐技术、激光锁模技术、激光稳频技术、变频技术、放大技术、滤波技术、外差接收技术、调制和解调技术、编码和解码技术、光纤技术、光子集成技术等。,绪 论, 元器件、材料与工艺：激光器（气体激光器、固体激光器、自由电子激光器、半导体激光器、光纤激光器等）、发光二极管、光电探测器、光纤、光波导、光开关和光隔离器、光调制器、光存储器、光学和光纤传感器、集成光路、光电子集成回路和光子集成回路、光子材料和光电子材料以及有关生产技术等。, 交叉应用学科：兵器光学、激光化学、激光生物学、激光医学、激光农业等。,绪 论, 系统技术：光通信技术、激光加工技术、激光雷达和精密测量技术、激光制导和光纤制

10、导技术、光信息处理和光计算技术、激光全息技术、激光分离同位素和激光引发核聚变技术、光学遥感技术等。,物理学的发展曾一次次引起科学技术的革命。作为物理学的重要分支，光学科学的发展曾在历次科技革命中起着重要角色。在当今世界的经济、科技、军事等众多领域中，电子技术与电子产业具有举足轻重的地位。因此，如果说目前的光子学正处于20世纪六七十年代电子学的地位，那么不久的将来，光子学无疑将得到迅猛发展，并迎来一个光子时代及其巅峰时期。,绪 论,绪 论,3. 物理光学的内容,3. 物理光学的内容光学课程安排,二、基础光学课程（应用光学、物理光学、高等光学、工程光学）：光学的基本原理及典型应用,一、 普通物理光

11、学部分光学的基本现象和基本原理,普物光学课程重点：光学成像、干涉、衍射、偏振、双折射等基本现象，简单原理和简单数学,基础光学课程重点：光学成像、干涉、衍射、偏振、双折射等基本规律，系统的数学描述和应用方法,三、专业光学课程：激光原理、非线性光学、量子光学、信息光学等等，直接面向科研与应用第一线,绪 论,3. 物理光学的内容,物理光学的内容,理论基础：Maxwell方程组光的电磁波理论光的折射反射、吸收散射、叠加与分析等（Ch.1-2）,光的干涉：相干条件，杨氏双缝干涉，平板干涉，牛顿环，多光束干涉等（Ch.3-4）,光的衍射：基尔霍夫标量衍射理论，菲涅耳衍射和夫琅和费衍射，多缝衍射和光栅等（C

12、h.5）,光的偏振：偏振光，晶体的双折射理论，偏振光学器件等（Ch.7）,绪 论,3. 物理光学的内容,物理光学参考书,物理光学（第三版），梁铨廷，电子工业出版社 光学，赵凯华，钟锡华，北京大学出版社，1984 光学，王楚，汤俊雄，北京大学出版社，2001 Principles of Optics (7th edition)，M.Born，E.Wolf，世界图书出版社，2001 基础光学，李良德，中山大学出版社 电动力学，郭硕鸿，高等教育出版社,绪 论,3. 物理光学的内容,物理光学 （第三版），梁铨廷,Ch.1 光的电磁理论： 1.1-1.7, 1.9； Ch.2 光波的叠加与分析： 2.1

13、-2.5； Ch.3 光的干涉和干涉仪： 3.1, 3.2, 3.4, 3.6-3.8; Ch.4 多光束干涉与光学薄膜 4.1-4.3 ； Ch.5 光的衍射： 5.1-5.6,5.8-5.10； Ch.7 光的偏振与晶体光学基础 7.1-7.7；,绪 论,3. 物理光学的内容,应该具备的基础,普通物理光学：折射、反射、透镜成像、干涉现象、衍射现象、偏振和双折射现象等的基金概念； 电动力学：Maxwell方程组及电磁学的相关基本概念 数学知识： 微积分：简单微分方程的推导和求解； 矢量：矢量表示和计算，简单的场论结果（附录A） 傅立叶分析：傅立叶级数和傅立叶变换（附录B.C） 特殊函数：de

14、lta函数，Bessel函数（附录C.D）. 线性代数：矩阵计算，线性方程组，行列式（附录E）,绪 论,3. 物理光学的内容,考察方式,课堂考勤(5%)：每堂抽查课10-20人 平时作业(15%)：每章1次作业 随堂小测验(20%)：每部分结束后各有一次 期终考试(60%)：闭卷，笔试,绪 论,4. 学习方法建议如何学好物理,分清物理现象、物理模型、和数学描述的关系 物理现象：可重复观察的客观现象 物理模型：为描述客观现象建立的一套物理假设和理论 数学模型：对物理模型的数学化表示和求解 准确理解物理概念的严格定义和内涵，把握物理定律的适用条件和范围等，理清相互间的逻辑关系 建立自己的物理图像（对物理模型的形象化想象）,4. 学习方法建议,(5) 尽量结合光学实验学习,(1) 明确本轮学习的重点和目的,(2) 理解基本概念、