1、光 学 武汉大学物理科学与技术学院武汉大学物理科学与技术学院 20222022级级 同同 学学 们们 好！好！主讲 于国萍 主主 要要 参参 考考 书书 赵凯华、钟锡华?光学?上下册(北大)钟锡华?现代光学根底?北大 郭永康、鲍培谛?根底光学?(四川大学)郭光灿、庄象萱?光学?(高教社)章志鸣、沈元华、陈惠芬?光学?(高教社)母国光、战元令?光学?(人民教育社)Born Wolf?Principles of Optics?杨霞荪等译，马科斯.玻恩、埃米尔.沃尔夫?光学原理?第七版，上下册(电子工业出版社)前前 言言 一、光学的研究对象及学习光学的意义 1.光学的研究对象 光学是研究光的本性、光
2、的产生与控制、光的传输与检测、光与物质的相互作用，以及它的各种应用的学科。2.学习光学的意义 光学是物理学中一门重要的根底学科，也是一门应用性很强的学科。二、二、光学开展简史光学开展简史 光是什么？光是什么？见资料：光学开展史 我国古代对于光学现象的观察和总结有十分辉煌的成就。北宋、沈括、梦溪笔谈 例如:小孔成像、凸面镜、凹面镜成像 1.我国古代的成就 2.20世纪前的学科开展简史 经典光学阶段 观点：光是发光体发射出的微 小粒子，所以光是沿着 直线行进的。解释：假定V水V空时，可解 释光的反射、折射现象 公元前5世纪17世纪末，18世纪初。光的微粒说 1642-1772 Sir Isaac
3、Newton 光的机械波动说 观点：光是一种在“以 太的弹性介质中 传播的机械波。解释：光的直线传播、反射、折射、干预、衍射、偏振现象。17世纪末19世纪上半叶 根据：惠更斯原理 1807年Thomas Young用光的衍射行为进一步证实了这一理论。十七世纪晚期Christian Huygens提出了波动理论，认为光是一种特殊的波而不是粒子集合 1629-1695“以太以太的性质太离奇的性质太离奇 横波速度=固体的切变模量/固体的密度1/2 以太的密度要比空气小 得多，而它的弹性切变 模量比钢大得多。机械波只能在介质中发生和传播，光是横波，而机械横波只能在固体中产生。光在不同的介质中传播速度不
4、同。不同的物质中的以太有不同的性质。光的电磁说 观点：光波就是电磁波。根据：1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在。解释：光的反射、折射、干预、衍射、偏振、色散双折射等现象 1865年麦克斯韦建立了光的电磁理论。光的波动本性可由麦克斯韦方程组完美描述 18311879(James Clerk Maxwel)英国物理学家 c光速波长频率 可见光 4.31015HZ红光)-7.5 1015HZ 光能E=h 波的能量与频率成正比 无线电波 可见光波长 400nm-760nm 光谱图中最短的射线波长 0.1nm 最长的无线电波波长 cm-m 20世纪初光学研究进入到近代光学阶段 3.20世纪中假设干重
5、大进展 20世纪初期物理学取得了划时代的进展 两理论诞生中光学扮演着极其重要的角色 标志：相对论、量子论的建立 迈克尔孙莫雷实验 用光学方法测量地球对“以太 的运动速度,得到了否认的结果，对爱因斯坦建立相对论起到了重要佐证作用。参考南开母国光-光学P517 黑体辐射 光电效应 发射的光子数n 入射光 原子的线状光谱等 用麦克斯韦电磁理论无法解释的现象 1900年 普朗克提出能量量子化假设 能量量子化概念的产生 原子光谱结构的规律性的研究 黑体辐射能量的光谱分布研究 Max Planck 1858-1947 引导到 光电效应的研究 1905年爱因斯坦提出光子理论和光的波粒二象性。将光解释成一种能
6、量的集合 光子 =h。1879-1955 Albert Einstein 光子的概念、光的波粒二象性 发射的光子数n 入射光 密立根和康普顿的精密实验研究确立了光量子论的地位，因此分获1923和1927年诺贝尔物理学奖。光电效应的研究光电池、有声电影、电视等技术。波粒二象性是一切根本粒子所共有的属性。x光除了具有波动性外，还具有粒子性。20 世纪世纪 20 40年代光学技术的成果年代光学技术的成果 迈克尔孙天体干涉仪 测量了宇宙中双星的张角（1920年）宇宙中双星 接接 收收 屏屏 双缝双缝 d x 全息照相术 盖柏英国、1948年 采尼克相衬显微镜 观察了不染色而仍存活的细胞及透明的细胞质1
7、935年 1953年获诺贝尔奖 Frits Zernikel 1888-1966 光波的位相关系是表征光的波动特性光波的位相关系是表征光的波动特性的一个重要参数的一个重要参数。迈克尔孙天体干预仪 采尼克相衬显微镜 全息照相术 均利用了光波的位相关系 50-60年代光学取得了突破性进展 激光的出现 1960年世界第一台红宝石激光器研制成功 激光的出现使光学学科进入到现代光学阶段 光学学科的革命性开展冲击了整个物理学科并对化学、生物、电子、材料科学、医学等学科都产生了巨大影响。激光的出现和开展形成了新的光学子学科 激光的出现带来了许多光学新技术的开拓 激光光谱学、非线性光学、薄膜光学等 光纤通信、
8、集成光学、光电子学、光计算机 4.现代光学现代光学 量子电动力学是现代光学的理论根底 光是什么光是什么？1.光的本质是什么？2.光具有那些特性？由于激光的优异性能，引起了人们对光的本 性研究的进一步深入。激光与一般光波不同的光子统计分布规律 光束中的光子存在着聚簇性现象的原因 量子力学描述光束的所谓“相干态，激光 所特有的“压缩态等问题 信息：中科院上海光学精密机械研究所宣布：上海小型化超短超强激光功率成功突破100太瓦1太瓦1012瓦大关，输出峰值功率到达120太瓦/36飞秒，这标志着上海在这一领域已进入了国际同类研究的前沿，目前，国际上只有少数兴旺国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超过1
9、00太瓦。在1000万亿分之36秒3610-15秒的超短瞬间，上海超短超强激光装置迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率。三三.光学的开展趋势光学的开展趋势 光子学的兴起光子学的兴起 光子与电子的差异 电子 光子 静止质量 mo 0 运动质量 m h/c2 运动速度 小于c c 自旋 1 统计分布规律 费米子 玻色子 电子与光子是截然不同的实体。光子与电子的相似性 1.性质 都具有波粒二象性 P=h/=h 2.都可作为信息载体 助视仪器助视仪器：显微镜、电子显微镜 望远镜、电子望远镜 探测仪器探测仪器：X光衍射仪、电子衍射仪 光谱仪、电子光谱仪 扫描隧道电子显微镜 光子扫描隧道显微镜 相
10、似性相似性 电学、电子学、电子技术、电子工程 电子工业 光学、光子学、光子技术、光子工程 光子工业 一门与电子学相并行的学科 光子学正在兴起 四、光学课的特点及学习方法 特点:术语多、概念多、头绪多 方法：注意概念的理解、熟悉思维方法 五、课程安排及考核 1.课程安排 2.考核：平时20%，期中考试20%，期末考试60%。第一章第一章 几何光学几何光学 1.1几何光学的根本定律和费马原理 1.1 根本定律 光源、点光源、光线、光束 1.光的直线传播定律 2.光的独立传播定律 3.光的反射定律 4.光的折射定律 由上述定律可得出光路可逆性原理。x 几何光学实验定律成立的条件几何光学实验定律成立的
11、条件 1.被研究对象的几何尺寸D远大于入射光波 2.波长 3.D/1 衍射现象不明显，定律适用。4.D/1 衍射现象明显，定律不适用。5.2.入射光强不太强 6.在强光作用下可能会出现新的光学现象。7.：几何光学的根本实验定律有一定的近 8.似性、局限性。例：自感应透明（例：自感应透明（强光入射时强光入射时）普通光源 694.3nm 红宝石片红宝石片 I I I I0 0 强烈吸收强烈吸收 闪光时间闪光时间30 s，脉冲宽度脉冲宽度1ms 峰值功率峰值功率10104W 红宝石片红宝石片 I/I0=90 脉冲红宝石激光器694.3nm 1.2 费马原理费马原理 一、光程 定义光程：l=n l 均
12、匀介质中:光程表示光在该介质中走过的 几何路程 l 与介质折射率n的乘积 因为 n=c/v，于是得 l/c=l/v 可见：光程表示光在介质中通过真实路径 l 所 需的时间内，在真空中所能传播的路程 为什么要引入光程的概念？为什么要引入光程的概念？22112211nclnclvlvlt 有 例如：同频率的两束光波，分别在两种不同的介质中传播，在相同的传播时间内，两光波所传播的几何路程不同即：2211lnln x 可见，光在不同的介质中，相同的时间内传 播的几何路程不同，但光程相同。又有 光程的概念可理解为：光程的概念可理解为：光在介质中通过真实路程所需时间内光在介质中通过真实路程所需时间内，在真
13、空中所在真空中所能传播的距离能传播的距离。借助光程借助光程，可将光在各种介质中走过的路程折算为可将光在各种介质中走过的路程折算为在真空中的路程在真空中的路程，便于比较光在不同介质中传播所便于比较光在不同介质中传播所需时间长短需时间长短。clnclnt2211 1.1.均匀介质中光程均匀介质中光程 l l=n l =n l 2.假设光线从假设光线从A出发，中间经过出发，中间经过N 种不同的种不同的 均匀介质而到达均匀介质而到达B点，那么总光程点，那么总光程l 为为 ilN1iinl BAndll3.假设假设A点到点到B点之间介质的折射率是缓慢连点之间介质的折射率是缓慢连续续 改变的改变的，那么光
14、程为那么光程为 二二.费马原理的表述费马原理的表述 费马原理：光线在A、B两点之间传播的实际路径，与 其它可能的邻近的路径相比其光程为极值。即：光沿光程为极值极大、极小或常量 的路径传播。又因为 t=l/c 费马原理也可表述为：光沿着所需时间为极值的路径传播。费马原理的数学描述费马原理的数学描述 在光线的实际路径上光程的变分为零，即 费马用光程的概念把几何光学的根本定律归结为一个统一的根本原理，是根本定律的普遍表述。它可以从总体上确定不考虑衍射时，光线行进的路径。0vdlt0ndllBABA值的路径传播，即或光沿着所需时间为极三三.费马原理的应用费马原理的应用 由费马原理可以推导出几何光学的全
15、部根本由费马原理可以推导出几何光学的全部根本实验定律，可以确定光线的传播方向、路径实验定律，可以确定光线的传播方向、路径 例：利用费马原理导出折射定律例：利用费马原理导出折射定律 点光源点光源 Ax1，y1，0 接收器接收器 Bx2，y2，0 入射线与界面交点入射线与界面交点 C Cx，0，z 21222222212212112211z)xx(ylz)xx(yllnlnACBl其中：令令：由由A A点到点到B B点的光程点的光程:21,lBClAC X B (x2,y2,0)x2 C(x,0,z)i1 i2 A（x1,y1,0）-x1 0 y x l1 l2 n1 n2 0)(z0)(x221
16、12211 lnlnlnln AB的路径应选择哪一条？的路径应选择哪一条？的路径的路径。按费马原理按费马原理C点的位置应点的位置应使使ABC为极值。为极值。求路径求路径 l 光程变分为光程变分为0的的条件：光线只取条件：光线只取 将将l1、l2的表达式代入上式有的表达式代入上式有 21222222212212112211)()(zxxylzxxyllnlnACBl 其中：其中：(2)0)(z(1)0)()()(221122112221112211 lznlznlnlnlxxnlxxnlnlnx1.只有只有Z=0 2式才成立。式才成立。C点点Z=0说明：说明：C点位于过点位于过A、B点且垂直点且垂直 于折射界面的平面于折射界面的平面.即即:入射线、法线、折射线三者共面。入射线、法线、折射线三者共面。2.(2)0)(z22112211lznlznlnln讨论：讨论：折射定律得以证明。所以有：及图中几何关系可知：由 22112221112221112211sinsinsin)(sin)(0)()()(ininilxxilxxlxxnlxxnlnlnx C(x,0,z)i1 i2 l2 B(x