《物理光學》第一章 緒論.ppt

1、物 理 光 學緒論,教材: 梁全廷 機工版 教學時數(shù):56學時 課程性質(zhì):學位課 考核方式:閉卷,講述提綱,一、光學的科學體系 二、對光學現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與認識 三、對光本性的認識，波動光學的發(fā)展史 四、本課程的任務與要求 五、波動綜述,一、光學的科學體系,光學：是研究光的本性,光的傳播以及它和物質(zhì)相互作用的學科。 1.幾何光學：基于“光線”的概念討論光的傳播規(guī)律。 2.波動光學：研究光的波動性（干涉、衍射、偏振）的學科。 3.量子光學：研究光與物質(zhì)的相互作用的問題。 4.現(xiàn)代光學：20世紀后半期發(fā)展起來的很龐大的體系。,1.幾何光學,： 從理論上說，幾何光學三個基本定律（直線傳播，折射、反射定律）

2、,是費馬原理的必然結(jié)果,也是光波衍射規(guī)律的短波近似。 它們在方法上是幾何的，在物理上不涉及光的本質(zhì)。 幾何光學主要是從直線傳播，折射、反射定律等實驗定律出發(fā)，討論成像等特殊類型的 傳播問題。,2.波動光學：,研究光的波動性（干涉、衍射、偏振）以及用波動理論對光與物質(zhì)相互作用進行描述的學科。 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)泛指波場中的 任一曲面，更多的是指一個平面。 主線：如何描述、識別、分解、改造、記錄和再現(xiàn)波前，構成了波動光學的主線,3.量子光學,把光視為一個個分立的粒子,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)構起重要作用時

3、光與物質(zhì)的相互作用現(xiàn)象。 在這領域內(nèi)有時可用經(jīng)典理論，有時需用量子理論。對于這類原不屬于傳統(tǒng)光學的內(nèi)容，有人冠之以“分子光學”或“量子光學”等名稱，也有人把它們?nèi)詺w于物理光學之內(nèi)。,4.近代光學：,1948年全息術的提出，1955年光學傳遞函數(shù)的建立，1960年激光的誕生為其發(fā)展中的三件大事。 薄膜光學的建立，源于光學薄膜的研究和薄膜技術的發(fā)展； 傅立葉光學的建立源于數(shù)學、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變換過程，形成了光學信息處理的內(nèi)容 集成光學源于將集成電路的概念和方法引入光學領域；,4.近代光學：,非線性光學源于高強度激光的出現(xiàn)、它研究當介質(zhì)已不滿足線性疊加原

4、理時所產(chǎn)生的一些新現(xiàn)象，如倍頻,混頻,自聚焦等; 對光導纖維的研究形成了纖維光學或?qū)Рü鈱W; 導波光學,電子學和通訊理論的結(jié)合使得光通信得到迅速發(fā)展和應用,成為人類在20世紀最重要的科技成就; 非線性光學,信息光學及集成光學等理論與技術的結(jié)合可能會導致新一代計算機光計算機的誕生.據(jù)預測它將部分實現(xiàn)人腦的功能(如學習和聯(lián)想),二、對光學現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與認識,1.對光的早期認識 2.幾何光學規(guī)律的發(fā)現(xiàn) 3.波動光學現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),1.對光的早期認識,公元前5世紀：人們就已經(jīng)考慮視覺是如何產(chǎn)生的。提出兩種假設：觸覺論、發(fā)射論。 觸覺論：內(nèi)容、貢獻及存在的問題。 發(fā)射論：內(nèi)容、貢獻及存在的問題。 公元10世紀

5、：發(fā)射論完全取代觸覺論。,2.幾何光學規(guī)律的發(fā)現(xiàn),公元前4世紀：“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：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世紀前期：荷蘭的斯涅耳（W.Snell）從實驗上發(fā)現(xiàn)了折射定理,而法國的笛卡兒（R.Descartes）第一個把它表示為現(xiàn)代的正弦形式;1657年費馬(P.deFermat)提出了著名的費馬原理.,3.波動光學現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),17世紀： 50年代，意大利的格里馬第（F.M.Grimaldi）首次詳細地描述了衍射現(xiàn)象； 英國的胡克（R.Hooke）和玻依耳(R.Boyle)各自獨立

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）進行了棱鏡分光實驗,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）進一步發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。,三、對光本性的認識，波動光學的發(fā)展史,17世紀中葉以前的認識 17世紀中葉至19世紀的認識： 光的波動說和微粒說 20世紀的認識：波粒二象性,17世紀中葉以前的認識,如前所述：主要有觸覺論、發(fā)射論兩種。 公元10世紀：發(fā)射論完全取代觸覺論。 完成了人類對光本性認識的第一次飛躍。,2.17世紀中葉至19世紀的認識,

7、人類對光本性的認真探討始于17世紀，主要有兩個對立的學說光的波動說和微粒說 微粒說的內(nèi)容、貢獻、存在的主要問題。 微粒說認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,得出了光在水中的速度比空氣中大的結(jié)論.,17世紀中葉至19世紀的認識,波動說的內(nèi)容、貢獻、存在的主要問題。 胡克明確主張光由振動組成,每一振動產(chǎn)生一個球面并以高速向外傳播,此為波動說的發(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)中傳播的機械縱波. 19世紀初,托馬斯.揚和菲涅耳等人的工作將波動說大大推向前進,解釋了光的干涉和衍射

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

9、瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計力學和電磁理論,導出黑體輻射公式,它要求輻射能量隨頻率的增大而趨于無窮. 上述經(jīng)典物理的困難預示著近代物理學兩個革命性的重大理論相對論和量子論的誕生.,20世紀的認識,波粒二象性: 光的某些方面的行為象經(jīng)典的“波動”,另一某些方面的行為象經(jīng)典的“粒子”. 實際上“波動”和 “粒子”都是經(jīng)典物理的概念.近代科學實踐證明,光是一個十分復雜的客體,對于它的本性問題,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)典光學和現(xiàn)代光學的基本知識。 通過本課程的學習，培養(yǎng)學生運用理論分析和解決光學工程和光電信息工程中的工程光學問題的能力，使具有進一步學習和處理現(xiàn)代光學理論和技術的能力,本課程的任務與要求,成績評定： 一、成績評定包括三個部分 1 、平時作業(yè)占 10% ； 2 、課堂練習占 20% ，將在教學過程中不定時舉行； 3 、課程結(jié)束后的閉卷考試占 70% 。 二、平時作業(yè)三分之一及以上未交、或三分之一及以上時間缺課者，按學校規(guī)定，不得參加考試。,本課程的任務與要求,主要參考書: 趙凱華，鐘錫華，光學，北京大學出版社， 1984 母國光、戰(zhàn)元