1光学总论.PDF

1 光学总论 【教学要求】 （1）了解光的电磁本性、可见光的波长范围和频率范围，理解光强的概念。 （2 ）了解光通量、发光强度、光照度和光亮度的概念及其单位，理解照度平方反比定律。 1.1 光的本性 人类离不开光，人们之所以能够看到人世间的千姿百态、万紫千红，是因为人眼能够接 收物体发射、反射或散射的光，光是人们通常遇到的一种最普遍的自然现象，人类对光的认 识和研究已有 3 千多年的历史；同时，光学也是一门发展最早的学科，整个光学的发展史， 紧紧围绕着“光究竟是什么？”这个古老而又年轻的主线来展开。 早在2000 多年的漫长历史岁月中，人类的光学知识仅限于对一些现象和规律的描述。如 公元前 400 多年，春秋战国时期，在墨子所著《墨经》里，记录了影的形成、针孔成像、光 在镜面（凹面和凸面）上的反射等现象。在《墨经》问世后 100 多年，希腊的欧几里得在《光 学》一书中，研究了平面镜成像，指出反射角与入射角的关系，提出“触须学说”。宋代的沈 括在《梦溪笔谈》中记载了丰富的几何知识。对凸凹面镜的成像规律、测定凹面镜焦点和虹 的成因等方面进行了富有创造性的阐述。阿拉伯的阿尔哈金（11 世纪）认为，光线来自所观 察的物体，并发明了凸透镜。1299 年，阿玛蒂发明了眼镜；玻特（1535—1615 年）发明了成 像暗箱。后来又相继发明望远镜，显微镜。直到 17 世纪，斯涅尔和笛卡儿给出折射定律，费 马提出费马原理，几何光学才初步形成，人类对光的认识仅处于萌芽阶段。 对光本性的认真探讨，应该说是从 17 世纪开始的，当时有两个学说并立。以牛顿为代表 的一些人提出了微粒理论，认为光是一群做匀速直线运动的微粒流 。这种学说直接说明了光 的直线传播定律，并能对光的反射和折射作一些解释。但是用微粒说研究光的折射定律时， 得出了光在水中的传播速度比空气中大的错误结论。不过这一点在当时的科学技术条件下， 还不能通过实验测定来鉴别，光的微粒理论差不多统治了两百多年。另一个学说，是和牛顿 同时代的惠更斯提出的波动理论，认为光是在一种特殊弹性媒质中传播的机械波 。这种理论 也解释了光的反射和折射等现象，然而惠更斯认为光是纵波，他的理论是很不完善的。19 世 纪初，托马斯·杨和菲涅尔等人的实验和理论工作，把光的波动理论大大推向前进，解释了光 的干涉、衍射现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振现象确认光是横波。根据光的波 ·6· 动理论研究光的折射，得出光在水中的速度应小于光在空气中的速度，这一点在 1862 年为傅 科的实验所证实。因此，到 19 世纪中叶，光的波动说战胜了微粒说。 惠更斯-菲涅耳旧波动理论的弱点，和牛顿的微粒理论一样，都带有机械论的色彩：把光 现象看成某种机械运动过程，认为光是一种在特殊的弹性媒质（历史上称为“以太”）中传播 的机械波。 重要的突破发生在 19 世纪 60 年代，麦克斯韦建立起电磁理论，预言了电磁波的存在， 并指出光是波长较短的电磁波 。1888 年，赫兹实验发现了波长较长的电磁波——无线电波。 光的电磁理论以无可辩驳的事实赢得了公认。光的电磁理论能很好地解释光在传播过程中的 各种现象，但是却不能解释光和物质相互作用时发生的现象：光电效应和康普顿效应。 1900 年普朗克提出了量子假说，认为各种频率的电磁波（包括光），只能像微粒似地以一 定最小份额的能量发射（称为能量子，其能量正比于频率），说明了光的发射问题。1905 年， 爱因斯坦发展了光的量子理论 。应用光量子理论可以成功地解释光电效应和康普顿效应，说 明光与物质发生作用时，光子将会与物质微粒传递能量和动量 。那么，光究竟是微粒还是波动？ 人类对光的本性的研究，已经进行了几千年，时至今日，仍不能作出肯定的答复。近代 科学实践证明，光是一个十分复杂的客体，对于它的本性问题，目前只能用它所表现的性质 和规律来回答：光的某些行为像“波动”，某些行为像“粒子”，即所谓“光的波粒二象性 ”。 由于“粒子”和“波动”都是经典物理的概念，而任何经典的概念都不能完全概括光的本性。 1.2 光学的研究对象、分支和应用 光学是研究光的本性，研究光的发射、传播以及和物质相互作用规律的学科。 光学除了是物理学中一门重要的基础学科外，也是一门应用性很强的学科，它的研究对 象早已不限于可见光。在长期的发展过程中，光学里形成一套行之有效的特殊方法和仪器设 备，可用之于日益宽广的电磁波段。 光学在传统上分为两大类：几何光学和物理光学。当光的波动效应