光学与原子物理任希锋课件

1、光学与原子物理任希锋光学与光学工程系中科院量子信息实验室办公室：量子信息楼303 Tel： 3600644Email： 助教黄少茹老师徐滕老师光学第零章 绪论第一章 几何光学第二章 光的波动模型第三章 光的干涉第四章 光的衍射第五章 光的电磁性第零章 绪论 学习光学的重要性； 光学讲什么？ 光是什么？学习光学的重要性 光(阳光)是生命的源泉。 光是人类认识世界的主要桥梁。人类感官得到的外界信息中，至少90%通过眼睛。 光现象是物理理论的主要发源地。 光学应用科学迅猛发展。 现代光学是科学前沿的重要领域。光学的内容与分类 什么是光学光学研究光的本性，光的产生、传播、光与物质相互作用以及光在科技中

2、应用的科学。 光学的内容几何光学：以光的直线传播、反射、折射三大实验定律为基础，研究光在透明介质中的传播与成像的规律波动光学：以Maxwell电磁理论为基础，研究光的波动性、电磁性(主要在宏观传播方面)量子光学：以光的量子理论为基础，描述光的粒子性(主要表现在发光机制及光与物质的相互作用方面) 波动光学，量子光学统称物理光学，描述光的本性！ 当光场(光波传播到的整个区域)的特征量(能量密度、光强度)h时， 量子效应不明显波动光学！ 传播过程中障碍物线度远远大于波长几何光学 光与物质相互作用时(一个光子与一个原子作用)量子光学光学的分类1. 光的机械微粒说与初期波动说的斗争微粒说：光是粒子流(满

3、足力学规律)代表人物：Descartes, Newton起因:光的直线传播-易用自由粒子解释；光能在真空中传播-机械波需要介质；牛顿的权威(机械论的观念)光是什么？微粒说对直进、反射、折射的解释:反射：弹性碰撞折射：微粒受界面法向力的作用存在问题：(1)不能解释当时已发现的干涉现象(牛顿环)(2)得出光密介质光速大的错误结论波动说：光是一种波动现象代表人物：Hooke, Huygens理论观点：光是以太中的振动的传播，以太中每一点可看成次波源起因:二列波的独立传播现象;发现牛顿环现象(Hooke发现，象水波)；Grimalde发现衍射现象Huygens解释折射：(Huygens原理)缺点：不完

4、善，不能解释光的直进，也不能解释衍射！重新兴起：1801年杨氏(T. Young)双缝干涉实验1802年杨用波相干叠加思想解释双缝实验1808年马吕斯发现光的偏振给机械粒子说致命打击的两个实验：小圆盘衍射水中光速的测定这时期的主要物理思想是：Young对干涉的解释和Fresnel对衍射的解释惠-菲原理！2. 波动说的初步确立19世纪电磁学迅速发展，最后麦克斯韦把电磁学规律总结为四个方程，建立了完整的电磁理论体系。 麦克斯韦断言，光波=电磁波！后来，赫兹(H. Hertz)用实验证实了电磁波的存在，并发现电磁波也有反射、折射、干涉、衍射等现象。以后一个时期，经典光学以麦氏电磁理论为基础，解释了所

5、有关于光的传播现象(干涉、衍射、偏振、双折射等等)，使经典光学达到相当完美的地步。3. 光由类机械波向光是电磁波的转变以太的否定，电磁波是物质波 当波动说确定后，人们初认为光是以太中传播的类弹性波；但根据机械弹性理论研究以太，发现以太有许多难以想象的性质。最根本的：若有以太存在，就有以太绝对静止系，可以测到以太相对地球的速度。这被实验证伪。Einstein否定以太。电磁波不需要介质。电磁波是物质波。1900年，普朗克发现了黑体辐射公式，并提出了“能量子假说”：物质在发光时是一份份辐射的1905年，爱因斯坦为解释光电效应，提出“光量子假说”：光是光子流(不但在辐射时是一份份的，在传播、吸收时也是

6、一份份的)康普顿散射：光子与电子作用时满足动量守恒与能量守恒4. 光的本性具有波粒二象性思想的确立至此，人们不得不承认，一方面光在宏观传播时表现出波动性，另一方面，在光与物质相互作用时，发生能、动量交换时光有充分显示出量子化(粒子性)的特征。1924年前后，德布罗意受光的波粒二象性启发，提出微观粒子也具有波粒二象性的大胆假设，导致量子力学诞生(微观粒子的波动力学)，后被电子衍射、中子衍射所证实。5.对量子理论的影响后来海森堡、玻尔、波恩、薛定谔、狄拉克等人创立和发展了量子力学20世纪20-30年代，狄拉克、费米等人又在量子力学基础上创立了“相对论量子力学”、“量子场论”、“量子电动力学”，描述基本粒子之间、光子与带电粒子之间的相互作用。从现象上看 传播现象主要表现出波动性，出现干涉、衍射、偏振等，规律完全由麦克斯韦电磁理论描述。 光场与物质相互作用(包括发光)主要表现出粒子性，规律由量子光学描述。本质上 光的动力学行为(光与粒子的相互作用)能、动量交换是量子化的，局域的，一次性的，在此意义上，光是光子流。 为何仍可讲光是电磁波？光的波粒二象性的简单理解单个光子的运动学的统计规律由电磁理论描述。光很弱时，光子一个一个被探测到，不可能半个光子(粒子性);少量时，无规律，大量光子时，出现干涉条纹亮度大则光子出