powerpoint-演示文稿-主講教師顏黃蘋(píng)要點(diǎn)

主講教師：顏黃蘋(píng)物理光學(xué)緒言一、光學(xué)的進(jìn)展簡(jiǎn)史狹義來(lái)說(shuō)，光學(xué)是關(guān)于光和視見(jiàn)的科學(xué)Optics:早期只用于跟眼睛和視見(jiàn)相聯(lián)系的事物廣義來(lái)說(shuō)，光學(xué)是爭(zhēng)論從微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線直到X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要組成局部，也是與其他應(yīng)用技術(shù)嚴(yán)密相關(guān)的學(xué)科光學(xué)是一門(mén)有悠久歷史的學(xué)科，它的進(jìn)展史可追溯到2023多年前人類(lèi)對(duì)光的爭(zhēng)論，最初主要是試圖答復(fù)“人怎么能觀看四周的物體？”之類(lèi)問(wèn)題。約在公元前400多年(先秦時(shí)代)，中國(guó)的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)學(xué)問(wèn)。它有八條關(guān)于光學(xué)的記載，表達(dá)影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖譅?zhēng)論了在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。自《墨經(jīng))開(kāi)頭，公元11世紀(jì)阿拉伯人伊本·海賽木制造透鏡；公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時(shí)獨(dú)立地制造顯微鏡；始終到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀看結(jié)果，歸結(jié)為今日大家所慣用的反射定律和折射定律。

1665年，牛頓進(jìn)展太陽(yáng)光的試驗(yàn)，它把太陽(yáng)光分解成簡(jiǎn)潔的組成局部，這些成分形成一個(gè)顏色按確定挨次排列的光分布——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分別是由光的本性準(zhǔn)備的。牛頓還覺(jué)察了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當(dāng)用白光照射時(shí)，則見(jiàn)透鏡與玻璃平板接觸處消逝一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當(dāng)用某一單色光照射時(shí)，則消逝一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來(lái)定量地表征相應(yīng)的單色光。胡克〔Hooke〕第一個(gè)提出光的波動(dòng)理論，主見(jiàn)光由快的振動(dòng)所組成，有特殊大的傳播速度。波動(dòng)理論在光的直進(jìn)和偏振方面遇到困難。

牛頓致力于進(jìn)展光的微粒理論。他依據(jù)光的直線傳播性，認(rèn)為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來(lái)，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運(yùn)動(dòng)。牛頓用這種觀點(diǎn)對(duì)光的直進(jìn)、折射和反射現(xiàn)象作了解釋。在解釋牛頓環(huán)現(xiàn)象時(shí)，微粒說(shuō)遇到困難?；莞故枪獾奈⒘Ｕf(shuō)的反對(duì)者，他改進(jìn)和補(bǔ)充了光的波動(dòng)說(shuō)，提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹?，并且指出光振?dòng)所到達(dá)的每一點(diǎn)，都可視為次波的振動(dòng)中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣面(波前)。在整個(gè)18世紀(jì)中，光的微粒流理論和光的波動(dòng)理論都被粗略地提了出來(lái)，但都不很完整。19世紀(jì)初，波動(dòng)光學(xué)初步形成，其中托馬斯·楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干預(yù)現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干預(yù)原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今日為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干預(yù)和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。以后的幾十年，是彈性以太理論的進(jìn)展時(shí)期。在進(jìn)一步的爭(zhēng)論中，觀看到了光的偏振和偏振光的干預(yù)。為了解釋這些現(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為說(shuō)明光在各不同媒質(zhì)中的不同速度，又必需假定以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更簡(jiǎn)潔的假設(shè)。此外，還必需給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。

1846年，法拉第覺(jué)察了光的振動(dòng)面在磁場(chǎng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年，韋伯覺(jué)察光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的覺(jué)察說(shuō)明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、電學(xué)現(xiàn)象間有確定的內(nèi)在關(guān)系。介質(zhì)折射率隨光波頻率或真空中的波長(zhǎng)而變的現(xiàn)象。當(dāng)復(fù)色光在介質(zhì)界面上折射時(shí)，介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射率，各色光因折射角不同而彼此分別。1860年前后，麥克斯韋的指出，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，不能局限于空間的某一局部，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)論在1888年為赫茲的試驗(yàn)證明。

然而，這樣的理論還不能說(shuō)明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸取光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)，包括對(duì)色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無(wú)限的不動(dòng)的媒質(zhì)，其唯一特點(diǎn)是，在這種媒質(zhì)中光振動(dòng)具有確定的傳播速度。對(duì)于像炎熱的黑體的輻射中能量按波長(zhǎng)分布這樣重要的問(wèn)題，洛倫茲理論還不能給出令人滿足的解釋。并且，假設(shè)認(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動(dòng)的以太選作參照系，使人們能區(qū)分出確定運(yùn)動(dòng)。而事實(shí)上，1887年邁克耳遜用干預(yù)儀測(cè)“以太風(fēng)”，得到否認(rèn)的結(jié)果，這說(shuō)明到了洛倫茲電子論時(shí)期，人們對(duì)光的本性的生疏照舊有不少片面性。1900年，普朗克從物質(zhì)的分子構(gòu)造理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定重量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。

量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)問(wèn)題。量子論不但給光學(xué)，也給整個(gè)物理學(xué)供給了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。1905年，愛(ài)因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了特殊明確的表示，特殊指出光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光也是以光子為最小單位進(jìn)展的。

1905年9月，德國(guó)《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了愛(ài)因斯坦的“關(guān)于運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”一文。第一次提出了狹義相對(duì)論根本原理，文中指出，從伽利略和牛馬上代以來(lái)占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的狀況，而他的新理論可解釋與很大運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的過(guò)程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象。這樣，在20世紀(jì)初，一方面從光的干預(yù)、衍射、偏振以及運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無(wú)可疑心地證明白光的量子性——微粒性。

1922年覺(jué)察的康普頓效應(yīng)，1928年覺(jué)察的喇曼效應(yīng)，以及當(dāng)時(shí)已能從試驗(yàn)上獲得的原子光譜的超精細(xì)構(gòu)造，它們都說(shuō)明光學(xué)的進(jìn)展是與量子物理嚴(yán)密相關(guān)的。光學(xué)的進(jìn)展歷史說(shuō)明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個(gè)最重要的根底理論——量子力學(xué)和狹義相對(duì)論都是在關(guān)于光的爭(zhēng)論中誕生和進(jìn)展的。

此后，光學(xué)開(kāi)頭進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成局部。其中最重要的成就，就是覺(jué)察了愛(ài)因斯坦于1916年預(yù)言過(guò)的原子和分子的受激輻射，并且制造了很多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術(shù)。愛(ài)因斯坦?fàn)幷撦椛鋾r(shí)指出，在確定條件下，假設(shè)能使受激輻射連續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反響，雪崩似地獲得放大效果，最終就可得到單色性極強(qiáng)的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺(tái)可見(jiàn)光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年覺(jué)察以來(lái)，得到了快速的進(jìn)展和廣泛應(yīng)用，引起了科學(xué)技術(shù)的重大變化。光學(xué)的另一個(gè)重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的試驗(yàn)驗(yàn)證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀看法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身——波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自20世紀(jì)50年月以來(lái)，人們開(kāi)頭把數(shù)學(xué)、電子技術(shù)和通信理論與光學(xué)結(jié)合起來(lái)，給光學(xué)引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運(yùn)算等概念，更新了經(jīng)典成像光學(xué)，形成了所謂“傅立葉光學(xué)”。再加上由于激光所供給的相干光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進(jìn)了的全息術(shù)，形成了一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域——光學(xué)信息處理。光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理供給了嶄新的技術(shù)。

在現(xiàn)代光學(xué)本身，由強(qiáng)激光產(chǎn)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象正為越來(lái)越多的人們所留意。激光光譜學(xué)，包括激光喇曼光譜學(xué)、高區(qū)分率光譜和皮秒超短脈沖，以及可調(diào)諧激光技術(shù)的消逝，已使傳統(tǒng)的光譜學(xué)發(fā)生了很大的變化，成為深入爭(zhēng)論物質(zhì)微觀構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的重要手段。它為分散態(tài)物理學(xué)、分子生物學(xué)和化學(xué)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的爭(zhēng)論供給了前所未有的技術(shù)。二、光學(xué)的爭(zhēng)論內(nèi)容爭(zhēng)論光的本性光的產(chǎn)生、傳輸與接收規(guī)律光與物質(zhì)的相互作用光學(xué)的應(yīng)用牛頓的微粒說(shuō)光是由發(fā)光物體發(fā)出的遵循力學(xué)規(guī)律的粒子流。惠更斯的波動(dòng)說(shuō)光是機(jī)械波，在彈性介質(zhì)“以太”中傳播。三、光的兩種學(xué)說(shuō)四、光的本性光的電磁理論——波動(dòng)性干預(yù)、衍射、偏振光的量子理論——粒子性黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光是電磁波，具有波動(dòng)和粒子的兩重性質(zhì)，稱為波粒二象性。粒子性〔牛頓微粒說(shuō)〕波動(dòng)性〔惠更斯波動(dòng)說(shuō)〕反射、折射反射、折射、干預(yù)、衍射波粒二象性粒子性〔愛(ài)因斯坦、康普頓光子說(shuō)〕波動(dòng)性〔麥克斯韋、赫茲光的電磁理論〕五、光學(xué)的分類(lèi)

幾何光學(xué)物理光學(xué)量子光學(xué)應(yīng)用光學(xué)幾何光學(xué)以光的直線傳播和反射、折射定律為根底，爭(zhēng)論光學(xué)儀器成象規(guī)律。幾何光學(xué)是從幾個(gè)由試驗(yàn)得來(lái)的根本原理動(dòng)身，來(lái)爭(zhēng)論光的傳播問(wèn)題的學(xué)科。它利用光線的概念、折射、反射定律來(lái)描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果通?？偸遣▌?dòng)光學(xué)在某些條件下的近似或極限。物理光學(xué)以光的波動(dòng)性和粒子性為根底，爭(zhēng)論光現(xiàn)象根本規(guī)律。物理光學(xué)是從光的波動(dòng)性動(dòng)身來(lái)爭(zhēng)論光在傳播過(guò)程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，所以也稱為波動(dòng)光學(xué)。它可以比較便利的爭(zhēng)論光的干預(yù)、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳播時(shí)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。

波動(dòng)光學(xué)光的波動(dòng)性：爭(zhēng)論光的傳輸規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科波動(dòng)光學(xué)的根底就是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組。波動(dòng)光學(xué)不詳論介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與物質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，而側(cè)重于解釋光波的表現(xiàn)規(guī)律。波動(dòng)光學(xué)可以解釋光在散射媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中傳播時(shí)現(xiàn)象，以及光在媒質(zhì)界面四周的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓力、溫度、聲場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)光的現(xiàn)象的影響。量子光學(xué)光的粒子性：爭(zhēng)論光與物質(zhì)相互作用規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科1900年普朗克在爭(zhēng)論黑體輻射時(shí)，為了從理論上推導(dǎo)出得到的與實(shí)際相符甚好的閱歷公式，他大膽地提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，即“組成黑體的振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值”。

這種從光子的性質(zhì)動(dòng)身，來(lái)爭(zhēng)論光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光學(xué)。它的根底主要是量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。1905年，愛(ài)因斯坦在爭(zhēng)論光電效應(yīng)時(shí)推廣了普朗克的上述量子論，進(jìn)而提出了光子的概念。他認(rèn)為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應(yīng)中，當(dāng)光子照射到金屬外表時(shí)，一次為金屬中的電子全部吸取，而無(wú)需電磁理論所估量的那種累積能量的時(shí)間，電子把這能量的一局部用于抑制金屬外表對(duì)它的吸力即作逸出功，余下的就變成電子離開(kāi)金屬外表后的動(dòng)能。

光的這種既表現(xiàn)出波動(dòng)性又具有粒子性的現(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來(lái)的爭(zhēng)論從理論和試驗(yàn)上無(wú)可爭(zhēng)論地證明白：非但光有這種兩重性，世界的全部物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子和原子以及全部的宏觀事物，也都有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動(dòng)的特性。應(yīng)用光學(xué)

光學(xué)是由很多與物理學(xué)嚴(yán)密聯(lián)系的分支學(xué)科組成；由于它有廣泛的應(yīng)用，所以還有一系列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。例如，有關(guān)電磁輻射的物理量的測(cè)量的光度學(xué)、輻射度學(xué)；以正常平均人眼為接收器，來(lái)爭(zhēng)論電磁輻射所引起的彩色視覺(jué)，及其心理物理量的測(cè)量的色度學(xué)；以及眾多的技術(shù)光