1、绪论 Introduction of Optics,主讲人：龚 少 华,主要参考书,（1）光学教程（第三版），姚启均原著，高等 教育出版社；,（2）光学，李国华主编，山东教育出版社；,（3）光学（上、下），赵凯华，钟锡华，北京大学出版社；,（4）光学，吴强 郭光灿主编，中国科学技术 大学出版社。,光学是一门古老而又年轻的学科。其悠久的历史几 乎和人类文明史本身一样久远；近半个世纪以来，它 又以令人炫目的发展速度、奇迹般层出不穷的研究成 果以及所蕴含的巨大潜力和希望，使自己跻身于现代 科学技术的前沿。在全面展开对光学基本知识的讨论 之前，了解一下光学的概貌及发展过程将有所裨益， 尽管这种介绍只能
2、是相当粗糙而简略的。,光学是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及光和物质相互作用的物理学科。,在观察和实验的基础上，对物理现象进行分析、抽象和综合，进而提出假说，形成理论，并不断反复经受实践的检验。,光学作为物理学的一个重要分支，光学研究的发展，也完全符合如下认识规律：,一、光学的发展简史,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,光学的起源可追溯到古代，我国春秋战国时期。,到15世纪末和16世纪初，凸面镜、凹面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现属于光学发展的萌芽时期。,只对光有些初步认识，得出一
3、些零碎结论，没有形成系统理论。,17世纪上半叶为几何光学时期。,这一时期可以称为光学发展史上的转折点，建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基础。,整个19世纪为波动光学时期；主要研究光的波动性。,19世纪末到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制这一时期为量子光学时期。,17世纪下半叶为几何光学向波动光学过渡时期。,这一时期是对光的认识初步深化的时期。,从20世纪60年代起，特别在激光问世以后，由于光学与许多科学技术紧密结合，相互渗透，一度沉寂的光学又焕发了青春。,光学以空前的规模和速度发展，它已成为现代物理学和现代科学技术中一块重要的前沿阵地，同时又派生出许多
4、崭新的分支学科此为现代光学时期。,回顾整个光学发展的历史，就是关于“光的本性”问题的研究历史。,1948 全息术1955 光学传递函数1960 激光器的诞生,9,在春秋战国时期，哲学家墨翟（公元前468前376年），在墨经就有关于“针孔成像”的叙述。,这个发现蕴含着光的直线传播的基本原理。,二. 光的本性,10,直到17世纪上半叶，人类所获得的光学知识，仍仅限于对一些现象和简单规律的描述。,在17世纪下半叶，人们才开始认真探讨光的本性问题。,两种学说,牛顿的微粒说（1704年）,惠更斯的波动说（1678年）,11,他认为光是从光源飞出的微粒流，在真空或均匀介质中由于惯性而做匀速直线运动。,牛顿
5、在1704年出版的光学一书中，根据光的直线传播性质，提出了光的微粒说。,太阳的白光是由七种色光组成的，这是牛顿首先发现的。为了解释这一现象，他假设存在与不同色光相对应的多种光微粒。,这个学说直接说明了光的直线传播特性，并能对光的反射和折射作出一定的解释。,但是，在用微粒说研究光的折射定律时，却得出了光在水中的速度大于在空气中的速度的错误结论。,12,惠更斯于1678年在他的论光一书中，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。所谓“以太”则是假想的弹性介质，充满整个宇宙空间，光的传播速度取决于“以太”的弹性和密度。,应用惠更斯的波动理论中的次波原理，不仅成功地解释了光的反射
6、和折射定律，还解释了方解石的双折射现象。但他仍然摆脱不了几何光学的观念。,13,微粒说和波动说孰是孰非？ ？ ？,19世纪上半叶，由于杨氏(T. Yang, 1773 - 1829)和菲涅耳(A. J. Fresnel,1788-1827)等人的工作，才使光的波动说恢复了活力！,杨氏和菲涅耳根据光的波动理论，分别正确的解释了光的干涉和衍射现象。初步测定了光的波长，在研究光的折射时，得出的结论是光在水中的速度小于在空气中的速度。,14,1862年傅科(J. L. Foucault, 1819-1868), 通过实验测定了光在空气和在水中的速度，与前面的结果相一致。,1808年马吕斯（. L. M
7、alus, 1775-1812)偶然发现，光在两种介质界面上反射时的偏振现象。,15,当时波动理论解释光学现象取得了巨大成功，光的弹性波动理论建立。,后来菲涅耳和阿喇果通过实验证实了光的横波性。至此，所发现的现象都有利于波动说，在这些事实面前，“微粒说”的支持者已寥寥无几。,存在的问题：“以太”假设，孤立。,1845年，法拉弟发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭 示了光现象和电磁现象的内在联系。,1856年两个德国人韦伯(18641891)和柯尔劳斯(18091858)发现了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。,17,1865年，麦克斯韦（J. C. Maxwell， 18
8、311879） 在前人的基础上，建立起著名的电磁场理论。该理论预言了电磁波的存在，证明了电磁波的横波性质，并发现电磁波的速度等于光速。这不是一个巧合。,1887年，赫兹（H. Hertz，1857-1898) 通过实验发现了波长较长的电磁波无线电波，并发现它也有反射、折射、干涉和衍射等与光波类似的性质。后来证明红外线、紫外线也都是电磁波，它们的区别只是波长不同而已。,18,19世纪末20世纪初，从牛顿力学、热力学、统计力学到麦克斯韦电磁理论，经典物理学已形成一套严整的理论体系。,“正当人们欢庆这座宏伟的经典物理学大厦落成的时候”，一个个惊人的发现使经典物理学理论重新陷入了困境。,至此，光的电磁
9、理论得到了普遍的承认。但人们仍然认为“以太”是光的载体。,当时，绝大多数物理学家深信，物理学中的各种基本问题在原则上都已得到完善解决，经典理论体系囊括了一切物理现象的基本规律，剩下的似乎只是解微分方程和具体应用的问题了。,19,第一个发现（困难）,1887年，迈克尔逊（A. A. Michelson, 1852-1931) 和莫雷（E. W. Morley, 1838-1923) 利用光的干涉效应，试图探测“以太”的存在，得到了否定的结果。,20,第二个发现（困难）,瑞利( J. W. S. Rayleigh, 1842-1919) 和金斯(J. H. Jeans, 1877-1946)根据统
10、计力学和电磁波理论，导出了黑体辐射公式， 在短波部分与实验严重不符称为黑体辐射的“紫外灾”。,1900年，当时物理学权威开尔文（L. Kelvin, 1824-1907 )把这比喻作笼罩在物理学晴朗天空中的“两朵乌云”。,后来发现，正是这两朵乌云孕育着近代物理学两个革命性的重大理论相对论和量子论的诞生。而这两个问题都与光学有关。,22,1900年为了解决黑体辐射理论的矛盾，普朗克（M. Plank ,1858-1947)提出了辐射的量子假说。,各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子所具有的能量是不连续的，其大小只能是电磁波的频率与普朗克常数乘积的整数倍。,成功地解释了黑体辐射
11、问题，即光发射时呈现出量子性（粒子性）。开始了量子光学时期。,23,另一个显示光的微粒性的重要发现是光电效应实验。1887年赫兹在实验中发现，光照射到金属表面可使电子从金属表面逸出。逸出电子的能量与光强无关，但与光的频率有关，这是一个光的吸收问题，用光的波动理论无法解释光电效应的实验规律。,1905年爱因斯坦（A. Einstein, 1879-1955)发展了普朗克的量子假说，提出了光子理论。圆满地解释了光电效应的实验规律，并被后来的许多实验所证实。,24,光究竟是微粒还是波动？,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；,另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等实验
12、又说明了光的量子性粒子性。,应该指出，爱因斯坦的光子理论与牛顿提出的光的微粒说是绝然不同的。不同点在于：,牛顿所提出的光微粒的运动，严格遵守经典力学的规律，即机械运动规律。,25,而爱因斯坦的光子理论认为，光子运动不遵守经典力学规律。光子的运动遵守电磁运动规律。光子在真空中的运动速度是恒定的，光子的静止质量为零。光子是和光的频率（波动）联系着的。,关于光的本性问题，只能用它表现的性质和规律来回答，光的某些行为象“波”，另一些行为象“粒子”，光具有“波粒二象性”。,1924年11月，法国物理学家德布罗意（L. V. de Broglie, 1892-1987) 在他的博士论文中，把光的波粒二象性
13、的结论推广到一切实物粒子。把实物粒子所具有的波动称为物质波。,26,德布罗意的这一假设在1927年被戴维孙（C. J. Davisson, 1881-1952) 和革末（L. H. Germer, 1896-1971)的电子衍射实验所证实。,27,事实上，不仅光具有波粒二象性，一切实物粒子同样具有波粒二象性，也就是说，这是微观物质所共有的属性。,至此，关于光的本性的回答，可以用下面几句话来概括：,光是一种物质形态，具有波粒二象性；波动性和粒子性是同一客观物质光在不同场合下反映出来的两种属性；光既是具有粒子性的电磁波，又是具有波动性的粒子流。,28,三. 光学的理论体系,光学研究的内容十分广泛，
14、包括光的发射、传播和接收等规律，光和其他物质的相互作用（如光的吸收、散射和色散，光的机械作用和光的热、电、化学和生理效应等），光的本性问题，以及光在生产和社会生活中的应用等等。,光学,现代光学,全息光学,傅立叶光学,非线性光学,激光原理及应用,激光光谱学,30,几何光学:研究方法的特点是撇开光的本性，以光的直进、反射、折射等实验定律为基础，研究光在透明介质中的传播及光学系统成像的规律。,波动光学: 研究方法是以光的本性是波长较短电磁波为基础，研究光的干涉、衍射和偏振等性质。,量子光学: 它是以光是光子流为基本观点，侧重研究光的粒子性，研究光的发生、光和物质的相互作用的微观机制，通常在分子、原子的尺度上研究。,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。晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。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等。非线性光学：光学介质及强光的相互作用。,32,本课程主要内容,
