物理光学绪论

主讲教师：颜黄苹物理光学第1页绪言一、光学发展简史狭义来说，光学是关于光和视见科学Optics:早期只用于跟眼睛和视见相联络事物广义来说，光学是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线宽广波段范围内，关于电磁辐射发生、传输、接收和显示，以及跟物质相互作用科学光学是物理学一个主要组成部分，也是与其它应用技术紧密相关学科第2页光学是一门有悠久历史学科，它发展史可追溯到多年前

人类对光研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围物体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦时代)，中国《墨经》中统计了世界上最早光学知识。它有八条关于光学记载，叙述影定义和生成，光直线传输性和针孔成像，而且以严谨文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像关系。第3页

自《墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木创造透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地创造显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光反射和折射观察结果，归结为今天大家所惯用反射定律和折射定律。

1665年，牛顿进行太阳光试验，它把太阳光分解成简单组成部分，这些成份形成一个颜色按一定次序排列光分布——光谱。它使人们第一次接触到光客观和定量特征，各单色光在空间上分离是由光本性决定。第4页

牛顿还发觉了把曲率半径很大凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象能够用第一暗环空气隙厚度来定量地表征对应单色光。胡克（Hooke）第一个提出光波动理论，主张光由快振动所组成，有非常大传输速度。波动理论在光直进和偏振方面碰到困难。

第5页牛顿致力于发展光微粒理论。他依据光直线传输性，认为光是一个微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对光直进、折射和反射现象作了解释。在解释牛顿环现象时，微粒说碰到困难。第6页

惠更斯是光微粒说反对者，他改进和补充了光波动说，提出“光同声一样，是以球形波面传输”，而且指出光振动所到达每一点，都可视为次波振动中心、次波包络面为传输波波阵面(波前)。在整个18世纪中，光微粒流理论和光波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光干涉和衍射现象，也能解释光直线传输。第7页以后几十年，是弹性以太理论发展时期。

在深入研究中，观察到了光偏振和偏振光干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一个在连续媒质(以太)中传输横波。为说明光在各不一样媒质中不一样速度，又必须假定以太特征在不一样物质中是不一样；在各向异性媒质中还需要有更复杂假设。另外，还必须给以太以更特殊性质才能解释光不是纵波。

1846年，法拉第发觉了光振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发觉光在真空中速度等于电流强度电磁单位与静电单位比值。他们发觉表明光学现象与磁学、电学现象间有一定内在关系。第8页介质折射率随光波频率或真空中波长而变现象。当复色光在介质界面上折射时，介质对不一样波长光有不一样折射率，各色光因折射角不一样而彼此分离。第9页1860年前后，麦克斯韦指出，电场和磁场改变，不能局限于空间某一部分，而是以等于电流电磁单位与静电单位比值速度传输着，光就是这么一个电磁现象。这个结论在1888年为赫兹试验证实。

然而，这么理论还不能说明能产生象光这么高频率电振子性质，也不能解释光色散现象。到了1896年洛伦兹创建电子论，才解释了发光和物质吸收光现象，也解释了光在物质中传输各种特点，包含对色散现象解释。在洛伦兹理论中，以太乃是广袤无限不动媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动含有一定传输速度。第10页

对于像炽热黑体辐射中能量按波长分布这么主要问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意解释。而且，假如认为洛伦兹关于以太概念是正确话，则可将不动以太选作参考系，使人们能区分出绝对运动。而实际上，1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”，得到否定结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光本性认识依然有不少片面性。第11页

1900年，普朗克从物质分子结构理论中借用不连续性概念，提出了辐射量子论。他认为各种频率电磁波，包含光，只能以各自确定分量能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光量子称为光子。

量子论不但很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布规律，而且以全新方式提出了光与物质相互作用整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新概念，所以通常把它诞生视为近代物理学起点。第12页1905年，爱因斯坦利用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确表示，尤其指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行。

1905年9月，德国《物理年鉴》发表了爱因斯坦“关于运动媒质电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速情况，而他新理论可解释与很大运动速度相关过程特征，根本放弃了以太概念，圆满地解释了运动物体光学现象。第13页

这么，在20世纪初，首先从光干涉、衍射、偏振以及运动物体光学现象确证了光是电磁波；而另首先又从热辐射、光电效应、光压以及光化学作用等无可怀疑地证实了光量子性——微粒性。

第14页1922年发觉康普顿效应，1928年发觉喇曼效应，以及当初已能从试验上取得原子光谱超精细结构，它们都表明光学发展是与量子物理紧密相关。光学发展历史表明，当代物理学中两个最主要基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关于光研究中诞生和发展。

今后，光学开始进入了一个新时期，以致于成为当代物理学和当代科学技术前沿主要组成部分。其中最主要成就，就是发觉了爱因斯坦于1916年预言过原子和分子受激辐射，而且创造了许多详细产生受激辐射技术。第15页

爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，假如能使受激辐射继续去激发其它粒子，造成连锁反应，雪崩似地取得放大效果，最终就可得到单色性极强辐射，即激光。1960年，梅曼用红宝石制成第一台可见光激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。因为激光含有极好单色性、高亮度和良好方向性，所以自1958年发觉以来，得到了快速发展和广泛应用，引发了科学技术重大改变。第16页光学另一个主要分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出显微镜成像理论，和1906年波特为之完成试验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他取得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年伽柏提出当代全息摄影术前身——波阵面再现原理，为此，伽柏取得了1971年诺贝尔物理学奖。第17页

自20世纪50年代以来，人们开始把数学、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“傅立叶光学”。再加上因为激光所提供相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了全息术，形成了一个新学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论主要成就，它为信息传输和处理提供了崭新技术。

第18页在当代光学本身，由强激光产生非线性光学现象正为越来越多人们所注意。激光光谱学，包含激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术出现，已使传统光谱学发生了很大改变，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制主要伎俩。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学动态过程研究提供了前所未有技术。第19页二、光学研究内容

研究光本性光产生、传输与接收规律光与物质相互作用光学应用第20页牛顿微粒说光是由发光物体发出遵照力学规律粒子流。惠更斯波动说光是机械波，在弹性介质“以太”中传输。三、光两种学说第21页四、光本性光电磁理论——波动性

干涉、衍射、偏振光量子理论——粒子性

黑体辐射、光电效应、康普顿效应光是电磁波，含有波动和粒子两重性质，称为波粒二象性。第22页粒子性（牛顿微粒说）波动性（惠更斯波动说）反射、折射反射、折射、干涉、衍射波粒二象性粒子性（爱因斯坦、康普顿光子说）波动性（麦克斯韦、赫兹光电磁理论）第23页五、光学分类

几何光学物理光学量子光学应用光学第24页几何光学以光直线传输和反射、折射定律为基础，研究光学仪器成象规律。几何光学是从几个由试验得来基本原理出发，来研究光传输问题学科。它利用光线概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传输路径，它得出结果通常总是波动光学在一些条件下近似或极限。第25页物理光学以光波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。

物理光学是从光波动性出发来研究光在传输过程中所发生现象学科，所以也称为波动光学。它能够比较方便研究光干涉、光衍射、光偏振，以及光在各向异性媒质中传输时所表现出现象。

第26页波动光学光波动性：研究光传输规律及其应用学科

波动光学基础就是经典电动力学麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构关系，而侧重于解释光波表现规律。波动光学能够解释光在散射媒质和各向异性媒质中传输时现象，以及光在媒质界面附近表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光现象影响。第27页量子光学光粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用学科1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到与实际相符甚好经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不一样假设，即“组成黑体振子能量不能连续改变，只能取一份份分立值”。第28页

这种从光子性质出发，来研究光与物质相互作用学科即为量子光学。它基础主要是量子力学和量子电动力学。1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克上述量子论，进而提出了光子概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中电子全部吸收，而无需电磁理论所预计那种累积能量时间，电子把这能量一部分用于克服金属表面对它吸力即作逸出功，余下就变成电子离开金属表面后动能。

第29页光这种既表现出波动性又含有粒子性现象既为光波粒二象性。以后研究从理论和试验上无可争辩地证实了：非但光有这种两重性，世界全部物质，包含电子、质子、中子和原子以及全部宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联络波动特征。第30页

应用光学

光学是由许多与物理学紧密联络分支学科组成；因为它有广泛应用，所以还有一系列应用背景较强分支学科也属于光学范围。比如，相关电磁辐射物理量测量光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引发彩色视觉，及