光学课件：第一章 绪论

第一章绪论一、光学是一门重要的学科1光是什么？光是一种频率极高的电磁波，具有波粒二象性。光在传播过程中，表现出波动性；光在与物质相互作用过程中表现出光的粒子性（量子性）。波动光学几何光学量子光学2光学的发展3光学树的树干之间的联系四个物理常量：h、c、λ、x普朗克常量h联系光的波动性和量子性光速c联系麦克斯韦方程组，以说明光的电磁波性。用光波长λ

是否趋于零以区分几何光学和波动光学用电极化率x

是标量还是张量以区分光在各向同性介质和各向异性介质中的传播。用电极化率x

对光场的响应是线性还是非线性以区分线性光学和非线性光学。4经典光学的主干——麦克斯韦方程组光作为电磁波，光的干涉、衍射、光拍光的调制、偏振光的干涉等空域和时域的线性叠加，均出自麦克斯韦方程组的线性性质。光的偏振性也出自电磁波的横波性。5支干——线性叠加以线性叠加为支干，分支是相干叠加（复振幅叠加）和非相干叠加（强度叠加）上述线性叠加均以简谐函数为基本函数，遵从共同的数学变换，即傅里叶变换。6光学技术的应用军事上测距、制导；激光核聚变；医学上在心血管和手术方面的应用；建筑上准直、丈量；激光在生物方面的应用；光计算机；激光印刷；激光加工；光纤通讯、信息处理；二、我国古代光学方面的成就三、20世纪前的光学发展简史指纹采集图样微粒说：

牛顿把光描绘成为从发光物体发射出来的，作高速运动的一种非常细小的粒子。微粒说能解释光在均匀介质中的直线传播和光在介质面上的反射。无法解释光在两种介质界面的折射现象以及光的干涉、衍射和偏振现象。波动说：

惠更斯的波动说：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。能解释光的反射和折射定律、光在玻璃或水中传播比在空气或真空中慢。

xk=+1k=-2k=+2k=0k=-1S1S2S***I

杨氏双缝实验托马斯扬的波动说：光的干涉现象缝较大时，光是直线传播的缝很小时，衍射现象明显阴影屏幕屏幕菲涅耳光学衍射现象

从同一波阵面上各点所发出的子波，经传播而在空间某点相遇时，也可相互叠加产生干涉现象。惠更斯菲涅耳原理：

认识到光波是一种横波，确立了两种不同偏振态的光波在界面上的折射、反射公式。解决了光波在一些非均匀晶体中传播的问题。

麦克斯韦方程组预言了电磁波，推出电磁波在真空中的传播速度与光波一致。预言光是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动。从文艺复兴开始到十九世纪末，物理学经过300多年的发展：牛顿力学热力学与经典统计物理经典电磁学（以麦克斯韦方程组为基础的）经典物理学{1894年迈克耳逊在芝加哥大学的拉伊尔松实验室揭幕式上的演说提出了这一有名看法。后来他告诉密立根他对引用这句话很遗憾。英国物理学家开尔文勋爵（W.Thomson)1900年在瞻望20世纪物理学的一篇文章中说：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。他甚至认为：“未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻找。”开尔文提到“两朵乌云”迈克耳逊实验（1887年）黑体辐射实验(紫外灾难){X射线1895年放射性1896年电子1897年爱因斯坦：（1905年，1916年）普郎克：量子论（1900年）波尔氢原子理论（1913年）海森堡测不准原理（1927年）构造原子模型、解释和预见原子谱线爱因斯坦光子说（1905年）解释光电效应现象（1887年）德布罗意假设（1923年）提出物质波概念薛定谔方程（1926年）描述德布罗意波的行为量子力学光的波粒二象性对微观粒子的测量局限性三大发现：相对论

描述自然的任何尝试必然存在的内在不确定性四、二十世纪若干重大进展摘要1、迈克耳逊与莫雷实验通过观察地球相对于以太运动的“零结果”，证实了以太是不存在的。2、爱因斯坦提出狭义相对论，否定以太的存在。明确了光是电磁波，其传播不需什么媒体，能在真空中传播，并确立了质能关系：E=mc23、波粒二象性：光电效应与康普顿效应光电效应实验装置OOOOOOVGAKBOOm康普顿实验装置示意图X射线管石墨体X射线谱仪φ晶体4、普朗克提出量子理论，认为辐射不是连续的，而是量子化。爱因斯坦提出“光子”的概念，认为每个光子的能量与频率成正比，即E=hγ，h为普朗克常量。5、伽博的“波前重建”理论，指导实验摄制了包括光波强度与相位信息的全息照片。6、激光的出现带来划时代的革命。

新概念、新分支：二次谐波、参量放大、锁模、时间相干、空间相干、光学双稳态、皮秒级、飞秒级的超快速光学、电光调制等激光（LASER）受激辐射光放大把微波光量子放大器（MASER）的原理应用到可见光波段，制成第一台激光器

1、激光的特点：高功率、高亮度、单色性好、方向性好2、激光器的组成：工作物质、光学谐振腔、激励能源

3、激光器的种类：

气体激光器：氦氖激光器、氩离子激光器、准分子激光器；固体激光器：红宝石晶体激光器、YAG；染料激光器；半导体激光器1031061091012101510221031001061091013105102HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01μmX射线紫外线可见光红外线微波高频电视调频广播雷达无线电射频电力传输射线γ电磁波谱频率波长五、光是电磁波的一部分

长波段表现出显著的波动性。检测方法是利用电磁振荡耦合，得到输入信号的振幅和相位。

短波段表现出极强的粒子性。检测方法是利用它与其他物质的相互作用，得到粒子流的强度，而无需相位关系。

光通讯：光波作为信息的载体而远距离传输信息。

光信息处理：光波中的各种信息如相位、偏振态、频率的变化都可用光强的变化来测量。六、光子与电子之间的相似性

德布罗意假设：一切实物粒子（电子，分子...）具有波粒二象性。

1927年戴维孙（C.J.Davisson）和革末（L.H.Germer）用加速后的电子投射到晶体上进行电子衍射实验。GφφK狭缝电流计镍集电器U电子射线单晶相似性：1、光子与电子都是具有能量和动量的粒子。都可以与其他物质相互作用而交换其动量和能量。P=mv=h/λ，E=hν

2、光子与电子都可以进行衍射、偏折、成象。

不同点：光子静质量为零，呈电中性；电子具有质量，带负电荷

光子探针可利用超短光脉冲探测超快演变过程，具有更普遍的应用性。

扫描隧穿电子显微镜（STM）是利用一个极细的金属探针在与被观察的表面相距为纳米级的情况下发生的隧道效应。电子波在隧道中是指数衰减的，金属探针因而可探测到随表面形态变化的电流从而获得表面的图象。

光子扫描隧穿显微镜（PSTM）是用一支极细的光导纤维与该表面相贴近到小于光波长的距离，在光疏介质中光子将会通过隧道效应而被耦合到光导纤维中而被检测到，由于被检测的表面所产生的衰减电磁场与该表面的形态相似，所以可逐