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波动光学 绪论 本课程主要内容 第一章 光波的基本性质 第二章 衍射和傅立叶光学的数理基础 第三章 光的干涉 第四章 光的衍射 第六章 光的偏振及晶体光学基础 第七章 量子光学基础 绪论 参考书目 绪论 物理光学教程 谢敬辉 物理光学与应用光学 石顺祥 光学 母国光 光学原理 沃尔夫、波恩 工程光学 郁道银 对光的早期认识 公元前5世纪，古希腊哲学家和数学家恩培多刻勒(Empedocles)就发表了关于光的著作。 “触觉论”。它认为人们在观察物体时，从眼睛中伸出一根无形的触须，去探摸物体的亮、暗、颜色等特性，就好像用手去触摸物体一样。 另一种假设称为“发射论”。该假设认为可见的物体能发射一种称为“光”的东西，视觉由光的刺激产生。这是人类历史上对光认识的第一次飞跃。 到公元10世纪前后，发射论完全取代了触觉论。 绪论 几何光学定律的发现 公元前4世纪，墨子及其弟子在墨经中就已经记录了光的直线传播，阴影的形成，光的反射和凹凸面镜反射成像等规律。 公元前3世纪，古希腊的欧几里德也发现了光的直线传播和镜面发射定律。 以后，人类陆续发明了眼镜、透镜等，但总的说来，光学的进展缓慢。 到了公元1621年，斯涅尔(W. Snell)从实验上发现了折射定律。 1657年，费马(P. Fermat)提出了著名的时间最小原理。按照这个原理，光永远是选这样的一条路来走，以使它在最短时间内到达目的地。 绪论 光的传播速度 1607年，意大利的伽利略试图测定光的速度。 1676年，丹麦的罗麦利用天文观察，首次成功地测定了光速。他测定的光速为2.15×105km/s。这个值与现在测定的光速比较，有30%的误差，但毕竟这是人类第一次测定光速。 绪论 微粒说与波动说之争 公元17世纪下半叶，对光的认识分为观点截然不同的两派。 以牛顿为首的微粒学说。可以解释光的直线传播性质，光的折射和反射定律，并预言光在密度大的介质中的传播速度将大于它在密度小的介质中的传播速度。 以惠更斯为首的波动学说。可解释光的折射、反射定律，以及光在方解石晶体中的双折射现象，并认为光在密度较大的介质中的传播速度要小于光在密度较小的介质中的传播速度。 直到十八世纪，光的微粒学说占据着主导地位。 绪论 十九世纪 1801年，杨氏(T. Young)提出了干涉原理； 1808年，马吕斯(F. L. Malus)发现了反射光的偏振； 同时，费涅尔(A. J. Fresnel)进一步发展了波动理论，计算了各种衍射现象； 泊松(S. D. Poission)从费涅尔理论推导出一个结论，即在小圆盘障碍物的阴影中心应该出现一个亮点，这一结论很快为阿喇果(D. F. Arago)用实验所证实。 1816年费涅尔和阿喇果发现偏振方向相互垂直的两条光线从不干涉。这与一致认为的光是纵波是无法调和的。 绪论 十九世纪 杨氏1817年提出光是一种横波。同时，光在水中的传播速度小于它在空气中的传播速度的结论也在此时得到。 1850年，法国的傅科公布了他的实验结果。他设计了实验室测量光速的装置。这一实验虽然没能精确的测出光的速度，但实验结果表明，即使考虑了实验中的各种误差，也可以确定光在水中的传播速度小于它在空气中的传播速度。 绪论 十九世纪 与此同时，微粒学说由拉普拉斯(P. S. Laplace)和毕奥(J. Biot)进一步加以发展。 以上许多由波动理论可以解释的现象，无法用微粒学说来解释。但是，惠更斯的“弹性以太”学说也不能说明光的本质，也遇到了很多困难。不过，它也还是统治了很长一段时间。 绪论 电磁理论 十九世纪中叶，麦克斯韦(Maxwell)成功地总结了前人的经验，推导出麦克斯韦方程组。确定光可能是电磁波，计算出了电磁波的速度。 科耳劳什(R, Kohlraush)和韦伯(W. Weber)作了测量，发现电磁波的速度就是光波的速度。 1888年赫兹(H. Hertz)用直接实验证实了麦克斯韦的电磁波理论。 绪论 以太假设的困难 “以太”是惠更斯最早假设的，后来，麦克斯韦也用以太作为电磁波的载体。 以太必须具有如下特性：必须充满整个空间，渗入到一切透光物质中；必须十分稀薄，不能妨碍物质的运动；不能被压缩，同时具有很大的切变模量，这样，才能只在它里面传播横波而不传播纵波。虽然这样的物质很奇怪，但是它真的有可能是存在的。 问题是，以太与运动媒介如地球之间有相对运动吗？ 绪论