《物理光學(xué)》第一章 緒論.ppt

1、物 理 光 學(xué)緒論,教材: 梁全廷 機(jī)工版 教學(xué)時(shí)數(shù):56學(xué)時(shí) 課程性質(zhì):學(xué)位課 考核方式:閉卷,講述提綱,一、光學(xué)的科學(xué)體系 二、對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與認(rèn)識(shí) 三、對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)，波動(dòng)光學(xué)的發(fā)展史 四、本課程的任務(wù)與要求 五、波動(dòng)綜述,一、光學(xué)的科學(xué)體系,光學(xué)：是研究光的本性,光的傳播以及它和物質(zhì)相互作用的學(xué)科。 1.幾何光學(xué)：基于“光線”的概念討論光的傳播規(guī)律。 2.波動(dòng)光學(xué)：研究光的波動(dòng)性（干涉、衍射、偏振）的學(xué)科。 3.量子光學(xué)：研究光與物質(zhì)的相互作用的問題。 4.現(xiàn)代光學(xué)：20世紀(jì)后半期發(fā)展起來的很龐大的體系。,1.幾何光學(xué),： 從理論上說，幾何光學(xué)三個(gè)基本定律（直線傳播，折射、反射定律）

2、,是費(fèi)馬原理的必然結(jié)果,也是光波衍射規(guī)律的短波近似。 它們?cè)诜椒ㄉ鲜菐缀蔚?，在物理上不涉及光的本質(zhì)。 幾何光學(xué)主要是從直線傳播，折射、反射定律等實(shí)驗(yàn)定律出發(fā)，討論成像等特殊類型的 傳播問題。,2.波動(dòng)光學(xué)：,研究光的波動(dòng)性（干涉、衍射、偏振）以及用波動(dòng)理論對(duì)光與物質(zhì)相互作用進(jìn)行描述的學(xué)科。 基本問題：在各種條件下的傳播問題。 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。 波前：原為等相面，現(xiàn)泛指波場(chǎng)中的 任一曲面，更多的是指一個(gè)平面。 主線：如何描述、識(shí)別、分解、改造、記錄和再現(xiàn)波前，構(gòu)成了波動(dòng)光學(xué)的主線,3.量子光學(xué),把光視為一個(gè)個(gè)分立的粒子,它主要用于分析輻射、光發(fā)射以及某些在物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)起重要作用時(shí)

3、光與物質(zhì)的相互作用現(xiàn)象。 在這領(lǐng)域內(nèi)有時(shí)可用經(jīng)典理論，有時(shí)需用量子理論。對(duì)于這類原不屬于傳統(tǒng)光學(xué)的內(nèi)容，有人冠之以“分子光學(xué)”或“量子光學(xué)”等名稱，也有人把它們?nèi)詺w于物理光學(xué)之內(nèi)。,4.近代光學(xué)：,1948年全息術(shù)的提出，1955年光學(xué)傳遞函數(shù)的建立，1960年激光的誕生為其發(fā)展中的三件大事。 薄膜光學(xué)的建立，源于光學(xué)薄膜的研究和薄膜技術(shù)的發(fā)展； 傅立葉光學(xué)的建立源于數(shù)學(xué)、通訊理論和光的衍射的結(jié)合；它利用系統(tǒng)概念和頻譜語言來描述光學(xué)變換過程，形成了光學(xué)信息處理的內(nèi)容 集成光學(xué)源于將集成電路的概念和方法引入光學(xué)領(lǐng)域；,4.近代光學(xué)：,非線性光學(xué)源于高強(qiáng)度激光的出現(xiàn)、它研究當(dāng)介質(zhì)已不滿足線性疊加原

4、理時(shí)所產(chǎn)生的一些新現(xiàn)象，如倍頻,混頻,自聚焦等; 對(duì)光導(dǎo)纖維的研究形成了纖維光學(xué)或?qū)Рü鈱W(xué); 導(dǎo)波光學(xué),電子學(xué)和通訊理論的結(jié)合使得光通信得到迅速發(fā)展和應(yīng)用,成為人類在20世紀(jì)最重要的科技成就; 非線性光學(xué),信息光學(xué)及集成光學(xué)等理論與技術(shù)的結(jié)合可能會(huì)導(dǎo)致新一代計(jì)算機(jī)光計(jì)算機(jī)的誕生.據(jù)預(yù)測(cè)它將部分實(shí)現(xiàn)人腦的功能(如學(xué)習(xí)和聯(lián)想),二、對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與認(rèn)識(shí),1.對(duì)光的早期認(rèn)識(shí) 2.幾何光學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn) 3.波動(dòng)光學(xué)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),1.對(duì)光的早期認(rèn)識(shí),公元前5世紀(jì)：人們就已經(jīng)考慮視覺是如何產(chǎn)生的。提出兩種假設(shè)：觸覺論、發(fā)射論。 觸覺論：內(nèi)容、貢獻(xiàn)及存在的問題。 發(fā)射論：內(nèi)容、貢獻(xiàn)及存在的問題。 公元10世紀(jì)

5、：發(fā)射論完全取代觸覺論。,2.幾何光學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn),公元前4世紀(jì)：“墨經(jīng)”記述了光的直線傳播、陰影形成、光的反射和凹凸面鏡反射成像等規(guī)律。 公元前3世紀(jì)：古希臘歐幾里德Euclid也發(fā)現(xiàn)了光的直線傳播和鏡面反射定律 公元17世紀(jì)前期：荷蘭的斯涅耳（W.Snell）從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了折射定理,而法國(guó)的笛卡兒（R.Descartes）第一個(gè)把它表示為現(xiàn)代的正弦形式;1657年費(fèi)馬(P.deFermat)提出了著名的費(fèi)馬原理.,3.波動(dòng)光學(xué)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),17世紀(jì)： 50年代，意大利的格里馬第（F.M.Grimaldi）首次詳細(xì)地描述了衍射現(xiàn)象； 英國(guó)的胡克（R.Hooke）和玻依耳(R.Boyle)各自獨(dú)立

6、地發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)稱為“牛頓環(huán)”的在白光下薄膜的彩色干涉圖樣; 牛頓（I.Newton）進(jìn)行了棱鏡分光實(shí)驗(yàn),并分析了“牛頓環(huán)” 的生成及色序問題。 60年代，丹麥的巴塞林那斯（E.Bartholinus）發(fā)現(xiàn)了雙折射現(xiàn)象。 70年代荷蘭的惠更斯（C.Huygens）進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。,三、對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)，波動(dòng)光學(xué)的發(fā)展史,17世紀(jì)中葉以前的認(rèn)識(shí) 17世紀(jì)中葉至19世紀(jì)的認(rèn)識(shí)： 光的波動(dòng)說和微粒說 20世紀(jì)的認(rèn)識(shí)：波粒二象性,17世紀(jì)中葉以前的認(rèn)識(shí),如前所述：主要有觸覺論、發(fā)射論兩種。 公元10世紀(jì)：發(fā)射論完全取代觸覺論。 完成了人類對(duì)光本性認(rèn)識(shí)的第一次飛躍。,2.17世紀(jì)中葉至19世紀(jì)的認(rèn)識(shí),

7、人類對(duì)光本性的認(rèn)真探討始于17世紀(jì)，主要有兩個(gè)對(duì)立的學(xué)說光的波動(dòng)說和微粒說 微粒說的內(nèi)容、貢獻(xiàn)、存在的主要問題。 微粒說認(rèn)為光是按照慣性定律沿直線飛行的微粒流; 直接說明了光的直線傳播定律,并能對(duì)光的反射,折射作一定的解釋; 用微粒說研究光的折射定律時(shí),得出了光在水中的速度比空氣中大的結(jié)論.,17世紀(jì)中葉至19世紀(jì)的認(rèn)識(shí),波動(dòng)說的內(nèi)容、貢獻(xiàn)、存在的主要問題。 胡克明確主張光由振動(dòng)組成,每一振動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)球面并以高速向外傳播,此為波動(dòng)說的發(fā)端; 1690年惠更斯在其著作中提出光是在一種特殊彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械縱波. 19世紀(jì)初,托馬斯.揚(yáng)和菲涅耳等人的工作將波動(dòng)說大大推向前進(jìn),解釋了光的干涉和衍射

8、現(xiàn)象,根據(jù)光的偏振現(xiàn)象確認(rèn)光為橫波; 用波動(dòng)說研究光的折射定律時(shí),得出了光在水中的速度比空氣中小的結(jié)論,并于1862年被傅科的實(shí)驗(yàn)所證實(shí). 特殊彈性媒質(zhì)始終未能找到.,17世紀(jì)中葉至19世紀(jì)的認(rèn)識(shí),光的電磁理論的提出、主要貢獻(xiàn)和問題。 19世紀(jì)60 年代,麥克斯韋建立電磁理論,預(yù)言了電磁波的存在,并根據(jù)電磁波的速度與光速相等的事實(shí),麥克斯韋確信光是一種電磁現(xiàn)象, 1888年赫茲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了無線電波,證明了麥克斯韋電磁理論的正確性. 特殊彈性媒質(zhì)“以太”始終未能找到,20世紀(jì)的認(rèn)識(shí),經(jīng)典物理的困難 1887年邁克而遜和莫雷實(shí)驗(yàn),否定了“以太”假說,以“靜止以太”為背景的絕對(duì)時(shí)空觀遇到了根本困難;

9、瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)和電磁理論,導(dǎo)出黑體輻射公式,它要求輻射能量隨頻率的增大而趨于無窮. 上述經(jīng)典物理的困難預(yù)示著近代物理學(xué)兩個(gè)革命性的重大理論相對(duì)論和量子論的誕生.,20世紀(jì)的認(rèn)識(shí),波粒二象性: 光的某些方面的行為象經(jīng)典的“波動(dòng)”,另一某些方面的行為象經(jīng)典的“粒子”. 實(shí)際上“波動(dòng)”和 “粒子”都是經(jīng)典物理的概念.近代科學(xué)實(shí)踐證明,光是一個(gè)十分復(fù)雜的客體,對(duì)于它的本性問題,只能用它所表現(xiàn)的性質(zhì)和規(guī)律來回答,任何經(jīng)典的概念都不能完全概括光的本性.,四、本課程的任務(wù)與要求,1.本課程研究的內(nèi)容：闡述光的電磁性質(zhì)，光在各向同性介質(zhì)界面上的傳播規(guī)律和光波的疊加與分析，光波的干涉和典型的干涉裝置與應(yīng)用、光波的衍射的基本原理、光的偏振及其在晶體中的傳播等經(jīng)典光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)的基本知識(shí)。 通過本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論分析和解決光學(xué)工程和光電信息工程中的工程光學(xué)問題的能力，使具有進(jìn)一步學(xué)習(xí)和處理現(xiàn)代光學(xué)理論和技術(shù)的能力,本課程的任務(wù)與要求,成績(jī)?cè)u(píng)定： 一、成績(jī)?cè)u(píng)定包括三個(gè)部分 1 、平時(shí)作業(yè)占 10% ； 2 、課堂練習(xí)占 20% ，將在教學(xué)過程中不定時(shí)舉行； 3 、課程結(jié)束后的閉卷考試占 70% 。 二、平時(shí)作業(yè)三分之一及以上未交、或三分之一及以上時(shí)間缺課者，按學(xué)校規(guī)定，不得參加考試。,本課程的任務(wù)與要求,主要參考書: 趙凱華，鐘錫華，光學(xué)，北京大學(xué)出版社， 1984 母國(guó)光、戰(zhàn)元