《光学教程》(第四版_姚启钧原著)课件

1光学教程（第四版）姚启钧原著华东师大《光学》教材编写组改编2主要参考书1、母国光等《光学》，人民教育出版社2、张阜权等《光学》，北京师范大学出版社3、赵凯华等《光学》，北京大学出版社4、E.赫克特等《光学》，人民教育出版社5、兰斯别尔格《光学》，人民教育出版社3编排特点波动光学：第1章光的干涉、第2章光的衍射、第5章光的偏振几何光学：第3章几何光学的基本原理、第4章光学仪器的基本原理光与物质间的相互作用：第6章光的吸收、散射和色散量子光学：第7章光的量子性现代光学：第8章现代光学基础4经典光学：1.几何光学光的传播、反射、折射、成像等。2.物理光学①波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。②量子光学：光的吸收、散射、色散、光的本性等。5现代光学①激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。②全息光学：光学全息与信息处理等。③晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。④集成光学：集成光路理论及制造等。6⑤傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。⑥激光光谱学：物质微观结构及分子运动规律的分析等。⑦非线性光学：光学介质与强光的相互作用。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……绪论Introduction80.1光学的研究内容和方法光的本性----光是什么光的传播、发射、接收等规律光和物质相互作用----吸收、散射、色散和光的机械作用，光的热、电、化学和生理效应光在生产和社会生活中的应用一、光学的研究内容9二、光学的重要性年轻而古老：光缆、光盘等——远古到现代基础加应用：力、热、电、光——工业、农业、军事、天文学、医学、电子学、材料科学、化学、生物、通信等理论与实验：张量、卷积、相关、δ函数、傅氏变换——普通光学实验、近代光学实验、现代光学实验等10三、光学的研究方法实践----假说----理论----实践110.2光学发展简史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120.2.1萌芽时期：（远古~15世纪末、16世纪初）人与光的联系非常紧密，人类感官收到外部世界的总信息量中，至少有90%是通过眼睛获得的。光学的起源可追溯到古代。13我国春秋战国时期，墨翟（前468~前376）及其弟子所著的《墨经》中有条关于光的记录：（1）影的定义与生成；（2）光与影的关系；（3）光进行的直线性，并用针孔成像说明；（4）光有反射的性能；（5）光和光源的关系而定影的大小；（6）叙述平面镜中物和像的关系；（7）叙述凹球面镜中物和像的关系；（8）叙述凸球面镜中物和像的关系。这是最早的关于光的文字记载，它给出了几何光学性质的正确的、较全面的记载。14希腊的欧几里得（公元前300—275）也曾在书中记录：我们假想光是以直线进行的，在线与线之间还留出一些空隙来，光线自物体到人眼成为一锥体，锥顶在人眼，锥底在物体，只有被光碰到的东西才给我们看见，没有碰上的东西就看不见了。这段记录给出了光的直线传播性质，但错误的认为从人眼向被看见的物体伸展着某些类似触须似的东西。15从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。人类的光学知识仅限于一些现象和简单规律的描述，如光以球面形式从光源发出，入射光线和反射光线共面且垂直于界面等等。到15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件的相继出现，预示着新的时期即将到来。160.2.2几何光学时期：（16世纪初~19世纪初）这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。到17世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础。1717世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究引向讨论光的本性的方向上。牛顿根据光的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论。惠更斯反对光的微粒说，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。这一时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了。180.2.3波动光学时期（19世纪初~20世纪初）到了19世纪初，初步发展起来的波动光学的体系已经形成。1801年杨氏最先用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验”，还第一次成功的测定了光的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。19因此，到十九世纪中叶，光的波动理论战胜了微粒学，而牢固的建立起来了。惠更斯的旧波动理论的弱点和微粒理论一样，它们都带有机械论的色彩，认为光是一种弹性波，这样就必须臆想一种特殊的弹性媒质----以太充满空间。为了不与观测事实相抵触，以太必须具有极其矛盾的属性：密度极小和弹性模量极大，这不仅在实验中无法证实，在理论上也行不通。201808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。1845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。麦克斯韦在1865年的理论研究说明光是一种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹的实验所证实。至此，确立了光的电磁理论。21光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它指出光和电磁现象的一致性，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。光速的测定。物理学大厦：力、热、电磁、光两朵乌云：热辐射、迈克尔逊—莫雷实验（以太）22量子光学时期：十九世纪末~20世纪中19世纪末到20世纪初是物理学发生伟大变化的时代，在各个领域都发现了经典理论不能解释的现象。在光学中，有黑体辐射、光电效应和康普顿效应等现象，经典物理大厦受到越来越多的攻击。光学的研究在深入到光的发射，光和物质相互作用的微观机构中时，光的经典理论就不能解释某些现象了。231900年，普郎克提出了量子假设，认为各种频率的电磁波，只能像微粒似的以一定最小份额的能量发生，正比于频率，而解决了这个难题。另一个显示光的微粒性的重要发现是光电效应，即光照射在金属表面会使电子逸出，逸出的电子与光的强度无关，而与光的频率有关。1905年，爱因斯坦建立了光的量子理论，成功的解释了这个问题。不仅如此，爱因斯坦还指出经典理论只适用于速度远小于光速的情况，爱因斯坦的理论还彻底的抛弃了“以太”。24至此，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又证实了光的量子性——粒子性。光的本性——物质（实物和场）的本性——波粒二象性25现代光学时期：20世纪中~三件大事：①1948全息术②1955光学传递函数③1960激光器的诞生