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第六篇光学 光为什么重要？ 《圣经·创世纪》 起初，上帝创造天地。??上帝说：“要有光”，于是就有了光。??这是头一日。 人来到世间，睁开眼就看到了光，从此伴人一生。 人获取外界的信息，90%以上靠光作媒质！ 光带动了现代科学的发展 2011，2009，2006，2005，2002，2000 宇宙学和光学在引领物理学发展，进入21世纪诺贝尔物理学奖6次与光学及宇宙学（红字）相关，宇宙学也是需要依靠光学测量结果进行分析的。 理学院的两位院士：陆埮（音：坛）院士和崔向群院士分别是宇宙学和光学领域的专家。 光学（Optics），目前更多地被光子学（Photonics）而取代，成为革命性发展的学科。 昨天的知识可能不再准确，今天的知识还在发展中，需要大家的共同努力...... 光学发展给我们带来了什么？ 第1章 光是什么？ “光是什么？”不同的人将会有不同的答案。 光是视觉，是眼睛所见。 光是光线。 光是一种电磁波。 光是能量子。 ?? 对于上述种种答案，既可以说是对的，又可以说不是完全对的。那么，光到底是什么呢？或者我们站在物理学的角度问，光的本质是什么？ 要给出一个完全正确的答案，现在看来还为时过早。也许这个问题永远也没有一个终极正确的答案。 光学的发展历史 光学的发展历史 光的本性：微粒说 笛卡儿 1638年，提出一种无所不在的“以太”假说，拒绝接受超距作用的解释，坚持认为力只能通过物质粒子和与之紧邻的粒子相接触来传播，把热和光看成是以太中瞬时传播的压力。《屈光学》中提出光的粒子假说，并用以推出光的折射定律。 斯涅耳（W. Snell, 约1580-1626） 费马（P.Fermat, 1601-1665） 牛顿 1704年，《光学》一书出版。随着天文学、力学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学。牛顿坚持光的微粒说，他认为波动说的最大障碍是不能解释光的直线进行。他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射与反射，甚至经过修改也能解释F.M.格里马尔迪发现的“衍射”现象。 光的本性：波动说 胡克 1665年，胡克提出了光的波动说，认为光的传播与水波的传播相似。1672年进一步提出光波是横波的概念。 惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。 杨氏（T.Young 1773-1829）杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的工作。用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了七种颜色的光的波长，从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到了又一个强有力的证据。 菲涅耳(1788～1827) 菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯－菲涅耳原理。解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。 二者的竞争 微粒说和波动说对不同介质中光速的解释（光从空气入水） 支持波动说的证据 杨氏双孔干涉实验 菲涅尔的衍射解释与泊松亮点 傅科的光速测量实验 麦克斯韦尔的贡献——电磁波谱 20世纪物理学晴朗天空的两朵乌云 迈克尔逊-莫雷实验的零结果 黑体辐射的“紫外灾难” 光的波粒两相性 今天的光学——纳米光子学 21世纪的信息载体 20世纪微电子技术的迅速发展，给我们带来了电脑、电视、手机...... 21世纪光子技术的革命，已经带给我们了高速网络、蓝光播放器、3D电视、LED照明......，今后还将带给我们光脑、光视、太阳能汽车、隐身衣、多功能食品检测装置等。 光子学的发展还会带领我们走向太空，发现宜居星球；进入原子核，认识世界的本质；制作闻所未闻的新物质，改变世界。 选择光学=选择美好的未来！ LED的五彩世界 战场上的光眼与光剑 显示技术的革命 光在帮助人类诊断和医疗 高能量或超精细的激光加工 光通信与网络 以1989年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤通信技术上的一次革命，使网络进入生活。 光钟是我们有了GPS 朱棣文，2006诺贝尔奖 光镊使我们可以摆弄细胞 利用光镊可以抓住、翻转、旋转、分割活体细胞。 我校理学院的单光纤光镊技术世界领先。 第2章 几何光学 光为什么会在均匀介质中沿直线传播？ 为什么在两种介质的界面上发生折射呢？ 为什么会出现海市蜃楼呢？ 透镜成像的原理是什么？ 探照灯是如何工作