1绪论

现代光学： 20世纪后半期发展起来的光学体系 。 现代光学： 世纪后半期发展起来的光学体系 1948年全息术的提出，1955年光学传递函数的建 年全息术的提出， 的提出 年光学传递函数的建 的诞生为其发展中的三件大事。 立，1960年激光的诞生为其发展中的三件大事。 年激光的诞生为其发展中的三件大事 薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技 薄膜光学的建立， 的建立 术的发展； 术的发展； 傅立叶光学的建立源于数学 的建立源于数学、 傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍 射的结合； 射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光 学变换过程，形成了光学信息处理的内容． 学变换过程，形成了光学信息处理的内容． 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学 领域； 领域；
1.2.2 平面简谐波（一维情形） 平面简谐波（一维情形）
一维简谐波波函数可表示为： 一维简谐波波函数可表示为：
2π E ( z − vt ) = A cos ( z − υ t ) + φ0 λ
（1） 空间参量 ） 空间周期 λ 空间频率 ——波长 波长
它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。 它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。
几何光学主要是从直线传播，折射、 几何光学主要是从直线传播，折射、反射定律等实 主要是从直线传播 验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。 验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。
波动光学：研究光的波动性（电磁波）的学科。 波动光学：研究光的波动性（电磁波）的学科。 主要内容有光的干涉、衍射、偏振，光在各向同性 各向同性介 主要内容有光的干涉、衍射、偏振，光在各向同性介 质中的传播规律及光在各向异性介质中的传播规律。 各向异性介质中的传播规律 质中的传播规律及光在各向异性介质中的传播规律。 研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）以及用波 研究光的波动性（干涉、衍射、偏振） 动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。 动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。 基本问题：在各种条件下的传播问题。 基本问题：在各种条件下的传播问题。 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理 菲涅耳原理。 基本原理：惠更斯 菲涅耳原理。 波前：原为等相面， 任一曲面， 波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面， 更多的是指一个平面。 更多的是指一个平面。 主要方法：如何描述、识别、分解、改造、 主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录 和再现波前，构成了波动光学的主要方法。 和再现波前，构成了波动光学的主要方法。
物理光学
绪论
1. 物理光学的研究对象和内容 光学是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作 光学是研究光的本性 光的传播以及它和物质相互作 用的学科。 用的学科。
几何光学 波动光学 物理光学 量子光学 现代光学
光学
几何光学：基于“光直线传播” 几何光学：基于“光直线传播”的概念讨论光的传播规律 几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。 几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。 是光波衍射规律的短波近似。 是光波衍射规律的短波近似。
H = B
µ
J = σE
式中， 为介电常数， 式中， = ε0εr为介电常数，描述 ε ε 媒质的电学性质， 0 是真空中介电 媒质的电学性质， 常数， 常数， 8.8542 ×10−12 Fm−1 εr 是相对介电常数 µ = µ0µr 为 是相对介电常数; 介质磁导率，描述媒质的磁学性质， 介质磁导率，描述媒质的磁学性质， µ0 是真空中磁导率 ， 是相对磁导率；σ为电导率，描述 是相对磁导率； −1) µr 为电导率 (4π ×10−7 Hm 为电导率， 媒质的导电特性, 真空中σ＝ 。 媒质的导电特性 真空中 ＝0。
n=
因此， 因此， 折射率可表示为
c
υ
= µ rε r
除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为µr≈1。 除铁磁性介质外， 大多数介质的磁性都很弱， 可以认为 。
n = εr
此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质， 都是频率的函数， 此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，εr或n都是频率的函数， 都是频率的函数 具体的函数关系取决于介质的结构。 具体的函数关系取决于介质的结构。
非线性光学源于高强度激光的出现、 非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不 源于高强度激光的出现 满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混 满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频 混 自聚焦等; 频,自聚焦等 自聚焦等 对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学 光纤光学或导波光学; 对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅 导波光学 电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅 速发展和应用,成为人类在 世纪最重要的科技成就; 成为人类在20世纪最重要的科技成就 速发展和应用 成为人类在 世纪最重要的科技成就 非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合 非线性光学 信息光学及集成光学等理论与技术的结合 可能会导致新一代计算机—光计算机的诞生 光计算机的诞生. 可能会导致新一代计算机 光计算机的诞生 2. 物理光学的应用
测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。 测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。
3. 波粒二相性
第一章 光波的基本性质
1.1 光的电磁理论基础
光的电磁理论的提出是人们在电磁学 方面已有了深入研究的结果。1864年麦克 斯韦把电磁规律总结为麦克斯韦方程组， 建立起完整的经典电磁理论，同时指出光 也是一种电磁波，从而产生了光的电磁理 论。到目前为止，它仍然是阐明大多数光 学现象以及掌握现代光学的一个重要基础。
讨论无限扩展的均匀、各向同性、透明、 讨论无限扩展的均匀 ∇ × B = µε ∂t
∇⋅E = 0 ∇⋅B = 0
将上页第二式两端对时间求导并交换左端的求导次序， 将上页第二式两端对时间求导并交换左端的求导次序，得：
∂B ∂E = µε 2 ∇× ∂t ∂t
∇⋅D = ρ
∇⋅B = 0
∂D ∇×H = J + ∂t
由麦克斯韦方程组可 知：不仅电荷和电流是 产生电磁场的源， 产生电磁场的源，而且 时变电场和时变磁场互 相激励，因此，时变电 相激励，因此， 场和时变磁场构成了不 可分割的统一整体—— 可分割的统一整体 电磁场。 电磁场。
2. 物质方程
D = εE
2
将上页第一式代入上式，并考虑到： 将上页第一式代入上式，并考虑到：
∇ × (∇ × E ) = ∇ (∇ ⋅ E ) − ∇ E
2
得到： 得到：
∂ E ∇ E = µε 2 ∂t
2 2
注释： 注释：
a × (b × c ) = ( a ⋅ c )b − ( a ⋅ b )c
同理可得： 同理可得：
可见光(760 可见光(760 nm~380 nm)
近紫外 380 nm~300 nm 紫外线(400 nm~10 nm) 中紫外 300 nm~200 nm 紫外线 真空紫外 200 nm~10 nm
1.2 平面电磁波
波动方程1.8或 的解可以是多种多样的 的解可以是多种多样的。 波动方程 或1.9的解可以是多种多样的。它的解由边界条件和初 始条件决定。这其中最重要的是平面简谐波和球面简谐波。 始条件决定。这其中最重要的是平面简谐波和球面简谐波。 平面简谐波 先看几个定义： 先看几个定义： 波面：波传播时，任何时刻振动位相总是相同的点所构成的面。 波面：波传播时，任何时刻振动位相总是相同的点所构成的面。 波面形状为平面的光波称为平面波。 波面形状为平面的光波称为平面波。 平面波 空间各点都以同一频率作正弦或余弦振动的平面波叫做时谐平 空间各点都以同一频率作正弦或余弦振动的平面波叫做时谐平 面波，或称平面简谐波。 面波，或称平面简谐波。 简谐波可称为单色波。 简谐波可称为单色波。
1. 麦克斯韦方程组和物质方程
1). 积分形式的麦克斯韦方程组
∫ E ⋅ dl
C
= − ∫∫
∂B A ∂t
⋅ ds
∫∫ D ⋅ d s = ∫∫∫
A
V
ρ dv
∫∫
C
A
B ⋅ ds = 0
⋅ dl =
∫H
∫∫
A
(J +
∂D ∂t
) ⋅ ds
2). 微分形式的麦克斯韦方程组
∂B ∇×E = − ∂t
红外线(1 mm~0.76 µm) 红外线
远红外 1 mm~20 µm 中红外 20 µm~1.5 µm 近红外 1.5 µm~0.76 µm 红 色 760 nm~650 nm 橙 色 650 nm~590 nm 黄 色 590 nm~570 nm 绿 色 570 nm~490 nm 青 色 490 nm~460 nm 蓝 色 460 nm~430 nm 紫 色 430 nm~380 nm
3. 电磁场的波动性
麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律， 麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律， 描述了电磁现象的变化规律 指出随时间变化的电场将在周围空间产生变化的 磁场， 磁场，随时间变化的磁场将在周围空间产生变化 的电场，变化的电场和磁场之间相互联系， 的电场，变化的电场和磁场之间相互联系，相互 激发，并且以一定速度向周围空间传播。因此， 激发，并且以一定速度向周围空间传播。因此， 时变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播 的电磁波。 的电磁波。
电磁波谱 电磁波谱
自从 世纪人们证实了光是一种电磁波后，又经过 自从19世纪人们证实了光是一种电磁波后 世纪人们证实了光是一种电磁波后，
大量的实验，进一步证实了X射线 射线、 射线也都是电磁 大量的实验，进一步证实了 射线、γ射线也都是电磁 它们的电磁特性相同， 只是频率(或波长 或波长)不同而 波 。 它们的电磁特性相同 ， 只是频率 或波长 不同而 如果按其频率(或波长 的次序排列成谱， 或波长)的次序排列成谱 已 。 如果按其频率 或波长 的次序排列成谱 ， 称为电 磁波谱， 如表 所示 。 通常所说的光学区域 或光学 所示。 磁波谱 ， 如表1-1所示 通常所说的光学区域(或光学 频谱)包括红外线、可见光和紫外线。 频谱 包括红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极 包括红外线 ，数值很大，使用起来很不方便， 高(1012~1016Hz)，数值很大，使用起来很不方便， 所 以采用波长表征， 光谱区域的波长范围约从1 以采用波长表征 ， 光谱区域的波长范围约从 mm到 到 10 nm。 人们习惯上将红外线、可见光和紫外线又细 。 人们习惯上将红外线、 分为： 分为：