光学发展史5.ppt

文科物理光学,光学的发展历史光学的基本概念、原理及应用神奇之光-激光,物理系：马丽珍,光学的发展历史,光学的起源可以追溯到二、三千年前,历史概述,战国时代哲学家墨翟所著墨经中，有关于小孔成像现象、平面镜、凸面镜、凹面镜等等的叙述。战国时代哲学家淮南子发明了用以取火的器皿“阳燧”。北宋时期沈括（10311095）的名著梦溪笔谈中记载了关于凸面镜的成像，以及关于日食、月食的起因和预报。,光学的发展历史,西方也很早就有光学知识的记载,欧几里得(公元前约330一260)的反射光学研究了光的反射。阿拉伯学者阿勒哈增(ALHaMn，965-1038)写过一部光学全书，讨论了许多光学现象。,1.1299年，发明了眼镜。意大利人阿玛蒂制造了眼镜。2.1608年，荷兰人李普塞制成第一台望远镜，伽利略改进成放大32倍的望远镜。3.几乎与望远镜同时，荷兰人发现制造了显微镜。,光学仪器的研制,光学的发展历史,光学的发展历史,光学真正形成一门学科，应该从建立反射定律和折射定律得时代算起，这两个定律的建立奠定了几何光学的基础。,从17世纪以来，展开了关于光的本性的认识研究。其中以牛顿为代表的光的微粒说和以荷兰科学家惠更斯为代表的波动说最为重要。这两种学说的争论一直持续到20世纪初，爱因斯坦把光的微粒说与波动说在新的层次上统一起来，提出了光具有波粒二象性，并为世人所公认。,阿拉伯学者阿勒.哈增（965-1038）发现这一结论与事实不符。,光的折射定律建立的历史过程,托勒密,早在古希腊时代，天文学家托勒密（约公元100年170）就曾专门做过光的折射实验，并得出了“折射角与入射角成正比”的结论。,17世纪初期，1611年，开普勒对光的折射问题上进行了实验研究,光的折射定律建立的历史过程,，,斯涅耳的这一折射定律（也称斯涅耳定律）是从实验中得到的，未做任何的理论推导，虽然正确，但却从未正式公布过只是后来惠更斯和伊萨克沃斯两人在审查他遗留的手稿时，才看到这方面的记载,，,光的折射定律建立的历史过程,折射定律的正确表述最早是由荷兰的斯涅耳(W.Snell，15801626)于1621年通过实验得到的。,笛卡儿，他没做任何的实验，只是从一些假设出发，并从理论上推导出这个定律的。为了使理论结果与实验数据相符，他还必须假设密媒质光速比疏媒质大。现在看来这个假设显然都是错误的。,笛卡尔的推导受到了费马（PierrFermat，1601-1665）的批评。1661年，费马将数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。,光的折射定律建立的历史过程,科学过程，是人类一代代探知外在客观、探知各种规律的一个永无止境的过程，是一个后人不断补充、不断修正乃至推翻前人认识的不断进取的过程。,光的微粒说,1704年，牛顿：“光是一种细微的大小不同的而又迅速运动的粒子。”,光的波动说,荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想，,惠更斯像,人类对光的本性的认识过程,胡克：“光必定是一种振动。”,他进一步提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方式与声音类似，而不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。,早期的波动理论缺乏数学基础，还很不完善，而牛顿力学正节节胜利。以符合力学规律的行为来描述光学现象，被认为是唯一合理的理论，因此，直到18世纪末统治地位的依然是微粒学说。,光学的发展历史,19世纪光的波动说的两个英雄：,托马斯杨(1773-1829)：英国人，是一位想象力异常丰富的博学通才。1799年在剑桥大学完成学业，获医学学位。它对眼睛生理学、解剖学和对颜色的视觉很有研究。因涉及到人眼对颜色的视觉研究，故他对光学，尤其光的波动学说感兴趣。1802年设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉现象,菲涅耳(1788-1827)：法国工程师。完善了惠更斯理论，提出了子波相干的思想，解释了光的衍射想象,托马斯杨(1773-1829)的贡献,杨氏双缝干涉：,1802年英国物理学家托马斯杨设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉现象。,面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的勇敢精神说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”,光学的发展历史,小插曲：托马斯.杨由于提出干涉原理受到了一些权威学者的围攻，其中有一位以牛顿学术权威自居的布劳安攻击得最为刻薄，说他的文章没有任何价值，称不上是实验，干涉原理是荒唐和不合逻辑的，一二十年，竟没有人理解他的工作，为回驳布劳安专门撰写的论文竟无处发表，只好印成小册子，小册子出版后，只卖出一本。,1808年，法国的马吕斯发现偏振现象，并认为找到了决定性的证据，证明光的波动理论与事实矛盾。,托马斯杨面对困难并没有动摇自己的科学信念,他写信给马吕斯说“您的实验证明了我采用的理论(即干涉理论)有不足之处，但我做的这些实验并没有证明它是虚伪的。”经过几年的研究，托马斯杨逐渐领悟到要用横波的概念来代替纵波，而这正是菲涅耳(A”8ushnJeanFresneI，17881827)继续发展波动理论的出发点。,菲涅耳(1788-1827)的贡献,1819年，菲涅尔和阿拉果联名发表了关于偏振光的相互作用,菲涅耳的理论泊松的计算阿拉果的实验找到了有利于波动说的泊松亮点。,发展了惠更斯和托马斯.杨的波动理论，成为物理光学的缔造者，开创了光学研究的新阶段。,光的波动说战胜粒子说被普遍接受,在1818年法国科学院悬赏征文：1.利用精密的实验确定光线的衍射效应2.根据实验用数学归纳推导出光线通过物体附近时的运动情况。,费涅耳荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者”。,光是以光速c运动的微粒流，称为光量子（光子）,光子的能量,光的量子说,20世纪初，爱因斯坦把光的微粒说与波动说在新的层次上统一起来，提出了光具有波粒二象性,并为世人所公认。,光学的发展历史,对于光的本性，虽然经过多少年的探索，我们所知道的也的确是太少了。光到底是什么？是在某一时刻表现为粒子，而在另一时刻表现为波？还是完全不同于我们现在所知的某种物质？这些问题也是当今的科学家们在苦苦思索的问题。,思考？,了解了人们对光的本性的认识过程，你有什么体会？,光学的发展历史,科学精神，“客观的依据，理性的怀疑多元的思考，平权的争论，实践的检验。”科学精神，是任何一个科学家，包括自然科学家和社会科学家，在从事科学研究活动时，缺一不可为、缺一难以为的基本要素和基本准则,科学精神与人文精神,历史和现实也无情地证明无论在任何时候，无论在任何地方，也无论以任何方式，打击、压制、限制这种人类特有的思维，实际上就是打击、压制、限制人类区别于动物的这种特有的最大的优势，其结果只会是造成不堪设想的破坏性的恶果。,科学精神与人文精神,人，人类，作为高级动物，其区别于低级动物的最本质的特征就是：会思维，会理性思维，会通过语言表达思维，会通过行动实践思维。而在这种理性思维中，又以创造性思维、突破性思维、发展性思维为人类最大的和最普遍的优势所在。,人类自身、人类社会恰恰是因为依靠了这种创造性思维、突破性思维、发展性思维才得以从愚昧走到今天这样高度文明的发展水平。,人类为了达到无障碍地进行这种理性思维的境界，就必须摆脱思想的依附，换句话说就是必须“以人为核心”、”以人为本”。,科学精神与人文精神,而人类为了真正做到摆脱思想依附，即真止做到“以人为核心”和“以人为本”，就必须提倡、遵循和尊重以“客观的依据，理性的怀疑多元的思考，平权的争论，实践的检验”等五要素为主的科学精神。换句话说、人们如果不能提倡、遵循、尊重这五条原则，就根本不可能成为真正摆脱思想依附、精神依附的自由的人。,电磁波的发现,麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，并于1873年出版了专著电磁学通论。1888年赫兹用实验首次证明了电磁波的存在。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦的预言，更重要的是导致了无线电的诞生，开辟了电子技术的新纪元。,光学的发展历史,电磁波谱,自从1888年赫兹通过一系列实验证实了电磁波的存在之后，时至今日，不仅证明了光波是电磁波，而且证明了红外线、紫外线、X射线、g射线等均是不同频率范围内的电磁波。,真空中电磁波的传播速度：,电磁波的频率()、速度(c)、波长()关系：,电磁波谱,电磁波的频率、速度、波长关系：,放射性试验、产生高能粒子、研究天体、宇宙,医疗透视、金属探伤、物质晶体结构,紫外线杀菌、荧光效应,热辐射红外雷达、红外相机、夜视仪、取暖、烘干,电视、雷达、无线电导航,通信、导航、航海航空定向、无线电广播、电报,1纳米=10-9米；1微米=10-6米,一、光的反射、折射和全反射,光在介质中的速度：,光密介质与光疏介质?,光学的基本概念与原理,当入射角,发生光的全反射。,一、光的反射、折射和全反射,介质1:石英;介质2:空气.,光学的基本概念与原理,光导纤维,内：纤芯，5-10微米外；包层；约100微米,光纤通信,光纤通信中信息的载体是光波，传输媒质是光纤，从而将信息从一端传向另一端。,频率越高所能传播的线路越多。,无线电通讯：3MHZ30MHZ可传100套广播；300MHZ3105MHZ可传1105套广播。,激光通讯：频率达1014Hz，可传108套广播。,激光的传输速率每秒622兆比特，比电传输速率（每秒几万比特）高几个数量级。,1966年由英籍华人高锟提出创意。,1967年，光通过100米的玻璃丝，光能只剩百亿分之一。,1970年美国康宁公司马瑞尔、卡普隆、凯克研制出了第一根实用的光纤。,1985年，全世界光纤线路已达455.5万公里。北美和欧洲铺设了长6500公里海底光缆，可以传输36000路电话。现正准备花150亿美元，铺设32万公里海底光缆连接125个国家。,光纤通信,1983年，美国贝尔实验室铺设的纽约到华盛顿间的光缆，1440芯，直径仅13毫米，可同时通信4.6万路电话。,二、光的干涉、衍射和偏振,1、光的干涉,你注意过这些现象吗？,?,弹簧振子的振动,波的干涉之模拟演示图,某些位置的点振幅始终最大，另一些位置振幅始终最小，而其它位置，振动的强弱介乎二者之间，保持不变，称这种稳定的叠加图样为干涉现象,无阻尼电磁振荡的振荡方程,杨氏双缝干涉：,1802年英国物理学家托马斯杨设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉现象。,光程差:,杨氏双缝干涉：,历史上第一次测得波长,薄膜干涉,增透膜：,增反膜：激光器谐振腔高反镜,检查光学元件的表面：,薄膜干涉,二、光的衍射：,波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进这种偏离直线传播的现象称为衍射现象,单缝衍射,光栅衍射,分析复色光光谱的光谱仪,1821年德国物理学家夫琅和费首次将金属丝并排紧靠而形成一密集而等间距的多狭缝-衍射光栅。高科技可制成每厘米有超过一万条狭缝的光栅。,圆孔衍射,爱里斑角半径:,眼睛、照相机、望远镜、显微镜,最小分辨角：,分辨本领：,光学仪器分辨本领:,提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）。1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。很多在可见光下看不见的物体例如病毒在电子显微镜下现出了原形。,提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。,提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长。,光学仪器分辨本领:,1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）。(用电子束来代替光)。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。,可见光作为光源的显微镜，分辨率是0.2微米,电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）,电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）,光学仪器分辨本领:,光学仪器分辨本领:,提高光学仪器分辨率的途径之二就是增大孔径：美国帕洛马山天文台的反射式望远镜直径约为5米，理论最小分辨角为1.310-7弧度。美国夏威夷的莫纳克亚天文台安装一台有36块三角形镜片组成的镜面总直径达10米的望远镜，调节36面小镜的方位可以得到高质量的天文图像。1990年，美国将直径2米的哈勃空间望远镜发射到空间轨道上。,三、有趣的偏振光,电磁波是横波,自然光可分解为两个方向任意互相垂直、振幅相等，没有任意相位关系的偏振光。,完全偏振光线偏振光,光矢量只沿某一固定方向振动的光,两向色性的有机晶体，如电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特定的方向，只让平行与