《光学》课程教学电子教案 第0章 前言绪论(32P).ppt

光 学 电子教案（ppt版） 赵建林 编著 高等教育出版社 普通高等教育“十五”国家级规划教材 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 光是生命的源泉 大自然的美容师 光学 教案 内容简介 简 介 本电子教案与作者所编著的“十五” 国家级规划教材光学 一书相配合。本教案从现代光学视角对基础光学内容和体系的编 排作了新的尝试，着重以建立光的完整图像为目标，以光波、光线 和光子的传播特性为主线，系统地介绍了光学的基本概念、理论、 规律、分析方法以及重要应用。 教案中给出的基本概念准确，物理图像清晰，叙述思路独特， 逻辑体系严谨，数学运算简洁，取材具有时代感。可作为高等学校 应用物理学、光信息科学与技术、光电信息工程以及材料物理等专 业的基础光学课程的教学参考。 光学 教案 光学，赵建林编著，高等教育出版社，2006。 配套教材 简 介 光学 教案 编写及使用说明 简 介 本电子教案中的章节及公式编号与配套教材完全相同，除包括了 教材中的全部插图（章节编号与教材相同）外，还增加了部分插图（未 加章节编号）。 教案按章和节编辑为不同文件。课程前言（含章目录）与各章、 章（含节目录）与各节之间采用超级链接方式。因此，由本文档最后一 页的章目录即可以链接到任意一节。 每一节文档包含三部分：主要内容（即小节标题）、正文、本节 重点（末页）。在每一节首页页眉栏中列出章名，在主要内容、本节重 点及每一小节首页页眉栏中列出章和节名，其余各页页眉栏中依次列出 章、节、小节名。 光学 教案 致 谢 简 介 本教案中给出的所有插图仅供用于课堂教学参考。其中绝大多数 插图中系作者自己制作，个别图片取自网络共享文献，在此向原作者表 示感谢。 在本电子教案的编写和出版过程中，高等教育出版社胡凯飞、庞 永江、王文颖、郭亚嫘等编辑付出了辛勤的努力，西北工业大学教务处 为作者提供了精神和经费上的重要支持，西北工业大学教材建设委员会 的诸位专家对提出了许多宝贵的建设性修改意见。此外，作者的研究生 徐宏来曾协助作者编制教案的ppt版初稿，谢嘉宁、曲伟娟、陆红强、 王军等曾协助制作了部分仿真实验图片。作者在此一并表示衷心感谢。 第8章 激光基础 第0章 绪论 第1章 光波、光线与光子 第2章 光学成像的几何学原理 第3章 光的干涉与相干性 第4章 光的衍射与变换 第5章 光学成像的波动学原理 第6章 光的双折射与光调制 第7章 光的吸收、色散及散射 目 录 光学 教案简 介 绪 论 光学 教案 赵建林 编著 普通高等教育“十五”国家级规划教材 高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 目 录 1. 光学的研究对象、地位和特点 2. 光的本性 3. 现代光学的主要标志 4. 光学的发展趋势光子学的崛起 5. 光学课程的学习方法 绪 论 光学的研究对象：光的本性以及光的发射、传播、接收、光与 物质相互作用等方面的规律 光是一种重要的自然现象 光学是物理学的一个重要分支 光学学科是一门应用性极强的基础学科 绪 论 1. 光学的研究对象、地位和特点 基础光学课程重点：光学成像、干涉、衍射、偏振、双折射等 基本规律 基础光学：几何光学，物理光学（波动光学+量子光学） 几何光学：以光的直线传播性质为基础，研究光线在透明介质 中的传播问题 波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播、光和物质的 相互作用规律 量子光学：以光的量子性为基础，研究光的发射以及光与物质 相互作用的某些问题 基础光学课程主要讨论内容：光学的基本原理及典型应用 绪 论 1. 光学的研究对象、地位和特点 光是一种高速运动着的微粒流。 微粒说能够很好地解释光在均匀介质中的直线传播以及在两种介质分 界面上的反射规律，但在解释折射现象时，会得出与实际情况相反的结果 光在密介质中的速度应大于疏介质中的，并且微粒说也不能解释光的 干涉、衍射和偏振等现象。 (1) 古代元气说（公元前400多年的墨经） 光，即火。火属五行之一，五行生于元气，故光生于元气。发光谓之 吐气，受光谓之含气。 (2) 牛顿（i. newton）的微粒说（17世纪） 绪 论 2. 光的本性 (3) 惠更斯（c. huygens）的波动说 设计了双平面镜和双棱镜干涉实验，进一步证实了杨氏关 于双孔干涉现象解释的正确性；发现并解释了菲涅耳衍射；总 结出了菲涅耳公式及菲涅耳方程。 光是在充满整个空间的特殊介质“以太”中传播的某种弹性 波，因此服从波动的传播规律惠更斯原理。 利用惠更斯原理不仅能够正确解释光的直线传播和反射定 律，也能够正确解释光的折射定律及双折射现象。 (4) 杨氏（t. young）双孔干涉实验与波动说的重新兴起 分别通过两个小孔的两束光在屏幕上的重叠区域内形成一 组明暗相间的条纹。包含了光波波长的概念，并初步测定出了 光波波长的大小。 (5) 菲涅耳（a. j. fresnel）对光的波动说的贡献 绪 论 2. 光的本性 (6) 麦克斯韦电磁理论（19世纪60年代初） 得出了著名的麦克斯韦方程组，预言出电磁波的存 在，并且推算出电磁波在真空中的传播速度与测量到的 光速值极为接近，进一步预言光是一种电磁波动，诞生 了光的电磁理论。 赫兹（h. r. hertz）通过一系列实验于1888年证实 了电磁波的存在。 麦克斯韦（j. c. maxwell）的贡献： 电磁波的实验证实： 绪 论 2. 光的本性 为寻找“以太”介质，迈克耳孙（a. a. michelson）和莫雷（e. w. moley）于1887 年设计出一台精密的干涉仪，试图以此观察 地球相对“以太”的运动。 结论：通过任何实验都不可能观察到地 球相对于以太运动的任何效应。 麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是通过“以太”传播的。 1905年，爱因斯坦（a. einstein）发表了著名 的狭义相对论，彻底否定了“以太”的存在；同时还 假设，光在真空中始终是以恒定的速度传播，与光 源或观察者的运动状态无关。 绪 论 2. 光的本性 (7) 电磁波动说的困境 v 激光与新效应 v 光是一种特殊的客体，具有波粒二象性 对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用何种假设，只要是以电 磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。 (8) 量子论的提出 v 普朗克（m. planck）的黑体辐射公式 v 爱因斯坦的光电效应方程 v “光子（photon）”概念的提出 (9) 光的本性的再认识 绪 论 2. 光的本性 激光技术，信息光学，非线性光学，导波光学 以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪、照相机等为代表的各种光学仪 器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的应用 现代光学的重要标志： 传统光学的研究对象： 绪 论 3. 现代光学的主要标志 (1) 激光的发明过程 激光名称的由来：light amplification by stimulated emission of radiation（受激辐射激发的光放大），缩写为laser。故最初的中文 名称为音译：“镭射”、“莱塞”。1964年由钱学森教授取名为“激光”。 爱因斯坦的预言（1916）：在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（ 电子）分布在不同的能级上，高能级上的粒子受到某种光子的激发，会 从高能级跃迁到低能级上，相应地会辐射出与激发它的光相同性质的光 受激辐射。在一定条件下，如果能使原子和分子的受激辐射去激发 其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，就可能获得单色性 极强的辐射。 绪 论 3. 现代光学的主要标志 1950年：中学教师阿卡斯特勒同让布罗塞尔发明“光泵激”技术。这一发明 后来被用来发射激光，并使他在1966年获得诺贝尔物理学奖。 1951年：查尔斯汤斯（c. h. townes）教授成功地制造出了世界上第一个“ 微波激射器”，即“受激辐射的微波放大器”。由于这项研究花费了 大量的资金，因此这项成果被戏称为“钱泵”。 1960年7月：梅曼（t. h. maiman）用汤斯的研究成果红 宝石制成世界上第一台可见光的激光器。 1958年：汤斯和他的学生阿瑟肖洛（1981年获得诺贝尔物 理学奖）在物理评论杂志上发表了他们的“ 发明”关于“受激辐射的光放大”的论文。为 此，汤斯于1964年获得诺贝尔物理学奖。 激光的特点：高亮度、高单色性、高方向性。 激光技术的应用领域：通信、测距、制导、信息处理、材料制备与加工、医 疗、生化、光谱学、农业育种、激光武器以及激光核聚变等。 绪 论 3. 现代光学的主要标志 (2) 信息光学（光学信息处理）的形成过程 自20世纪60年代初：激光的发明提供了高度相干光，利思（e. n. leith）和乌帕特内克斯（j. upatnieks）改进了全息术。 1873年：阿贝（e. abbe）提出的显微镜成像理论，1906年：波特 （a. b. porter）完成实验验证。 1935年：策尼克（f. zernike）提出相衬显微术，并依此由蔡司工 厂制成相衬显微镜。 1948年：伽柏（d. gabor）提出波前记录与再现的全息照相思想。 自20世纪50年代中：开始把数学、电子技术和通信理论与光学结 合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变 换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所 谓的“傅里叶（fourier）光学”。 绪 论 3. 现代光学的主要标志 (3) 非线性光学的内涵 首先得益于光学非线性效应的是信息光学。从这些非线性效应中，人 们受到了启示，进而发现或发明了一系列可用于光学信息处理的非线性光 学器件。此外，由非线性效应引出的激光光谱学，包括激光拉曼光谱学、 高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的 光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量 转换机制的重要手段。 当具有一定强度的单束或多束激光通过某些光学介质时，介质的极化 不仅包含光波场的一次方的作用（线性作用），而且还包含了二次、三次 甚至更高次方的作用（非线性作用），并且与极化的历史，或者说极化过 程有关。 绪 论 3. 现代光学的主要标志 (4) 导波光学的影响 光纤已成功地用于微光夜视仪、射线光增强器、工业和医用内窥镜 及安全监测系统和高灵敏度非接触测量。光纤制导已成为加强现代军事装 备的关键技术之一。光纤还可以做成各种有源微型器件，如光纤激光器、 光纤放大器、光纤倍频器等。 1966年，33岁的高锟博士首次提出，直径仅几微米的透明玻璃纤维有 可能作为导光与光信号传输的有效手段。 1970年，美国康宁玻璃公司首次拉制出了第一根可实用的光纤。 绪 论 3. 现代光学的主要标志 光子学是一门研究光子的产生、放大、 传输、控制和探测，以及把这些技术应用 于能量产生、通信、信息处理等的科学。 光子的特性：玻色子，不带电荷，不易发生交互作用。因此光束可以在空间 交叉通过而不互相影响；光子在真空中的速度为常数光速 c，不受rc时间常数的限制；光子的时空特性使之能形成前向 和后向的相位共轭波，用以补偿光波在传播中的畸变和失真。 绪 论 4. 光学的发展趋势光子学的崛起 (1) 光子学包含的分支学科 基础理论：光物理学、激光物理学、非线性光学、激光光谱学、量子光 学、电光学、声光学、集成光学、导波光学、纤维光学、全息光学、相 位共轭光学等。 系统技术：光通信技术、激光加工技术、激光雷达和精密测量技术、激 光制导和光纤制导技术、光信息处理和光计算技术、激光全息技术、激 光分离同位素和激光引发核聚变技术、光学遥感技术等。 基础技术：红外技术、激光技术、超短光脉冲技术、激光光谱技术、激 光谐振腔技术、激光选模技术、激光调q技术、激光调谐技术、激光锁 模技术、激光稳频技术、变频技术、放大技术、滤波技术、外差接收技 术、调制和解调技术、编码和解码技术、光纤技术、光子集成技术等。 绪 论 4. 光学的发展趋势光子学的崛起 元器件、材料与工艺：激光器（气体激光器、固体激光器、自由电子 激光器、半导体激光器、光纤激光器等）、发光二极管、光电探测 器、光纤、光波导、光开关和光隔离器、光调制器、光存储器、光 学和光纤传感器、集成光路、光电子集成回路和光子集成回路、光 子材料和光电子材料以及有关生产技术等。 交叉应用学科：兵器光学、激光化学、激光生物学、激光医学、激光 农业等。 绪 论 4. 光学的发展趋势光子学的崛起 光子学绝不是这些分支的概念、知识、理论等的 简单堆积，而是从更高的高度，即在光子的层次上进 行的融合、贯通、统一和升华。 注 意 绪 论 4. 光学的发展趋势光子学的崛起 (2) 光子学研究的特点 光子学研究的最终目的是发展光子技术。 光子技术已对许多自然科学和技术科学产生深刻的影响， 并将成为推动未来信息时代发展的主要动力。 光子学研究中涉及到了许多新观念和新思维，如量变与质 变、线性与非线性、有序与无序、宏观与微观、有限与无限、 定态与瞬态、近似与严密、变换性、逆反性、互易性、互补性 、协同性等。 绪 论 4. 光学的发展趋势光子学的崛起 物理学的发展曾一次次引起科学技术的革命。作为物理 学的重要分支，光学科学的发展曾在历次科技革命中起着重 要角色。在当今世界的经济、科技、军事等众多领域中，电 子技术与电子产业具有举足轻重的地位。因此，如果说目前 的光子学正处于20世纪六七十年代电子学的地位，那么不久 的将来，光子学无疑将得到迅猛发展，并迎来一个光子时代 及其顶峰时期。 绪 论 4. 光学的发展趋势光子学的崛起 (5) 尽量结合光学实验学习 (1) 保持良好的学习心态 (2) 理解基本概念、基本原理及其基本使用条件 (3) 适当的