光学第一讲.pptVIP

* 第6章 波动光学 以光的波动性质为基础，研究光的传播及规律。 以光的粒子性为基础，研究光与物质相互作用的规律。 光学 以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播规律。 研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用等规律的学科。 光学： 波动光学： 量子光学： 几何光学： 前 言 1621年荷兰科学家菲涅耳（W. snell, 1580~1626）从实验归纳出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。 早在我国先秦时代（公元前400－382年），《墨经》中就详细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜的成像规律。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书《光学》，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。 光学发展史 一、几何光学时期 光是什么? 春秋虎鸟阳燧，现藏于 中国历史博物馆。 古希腊和我国春秋时期，在光学现象的观察和研究方面就取得了相当的成就。在我国，较为系统的论著可见北宋时期沈括的《梦溪笔谈》。 光学学科的形成是从17世纪开始的。 春秋虎鸟阳燧 现藏于中国博物馆。 宋阳燧镜。宽为9cm，带柄长17cm。阳燧面直径为6.1cm，边缘菱花形内有凤鸟纹。现仍然保留有部分银白光层，仍可以起到聚光作用 。 二、光的微粒说和波动说 1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说， 1678年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的波动说。两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到19世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出时的出发点和存在的问题： 牛顿(Newton) 光是一种粒子! 光是一种波! 惠更斯(Huygens) 微粒说 支持者 波动说 牛顿（Newton） 毕奥（Biot） 拉普拉斯（Laplace） 泊松（Poission） 马吕斯（Malus） 胡克（Hooke） 惠更斯（Huygens） 托马斯·杨（T.Young） 夫琅和费(Fraunhofer) 菲涅耳（Fresnel） 傅科（Foucault） 能够解释/无法解释（刚提出时） 光的直线传播 光的反射 光的折射 光在折射率大的介质中传播 速率小 光的干涉 光的直线传播 光的反射 光的折射 光在折射率大的介质中 传播速率小【该结论于1862年 被傅科实验所证实】 对光的波动说给予有力支持的几个实验： 1、 1801年托马斯 · 杨（Thomas Young）完成了著名的“杨氏”实验，并提出了干涉原理； 2、 1809年，马吕斯（Malus）发现了光的横波性；（尽管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥） 3、 1815年，菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如泊松亮斑）。 赫兹（Hertz ） 麦克斯韦（Maxwell ） 1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在真空中传播的速度等于光速 c ，从而预言光是一种电磁波。1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。 通过大量实践可知，红外线、紫外线和X 射线等都是电磁波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波动理论成为电磁理论的一部分。 三、光的电磁学说 光是一种电磁波。 你的预言是对的！ 四、量子光学时期 19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐射、光电效应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。 1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。 普朗克（Planck） 爱因斯坦（Einstein） 康普顿（Compton） 从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有“波粒二相性”（Wave-particle duality）。光在传播的过程中主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现出微粒性。 本章只讨论光的波动性。即主要研究光的干涉、衍射、偏振等问题。 第6章 波动光学基础 光的相干性 分波面干涉 分振幅干涉 惠更斯－菲涅耳原理 单缝的夫琅禾费衍射 圆孔的夫琅禾费衍射