第1章 引言和几何光学

谁 持 彩
毛 泽 东
赤 橙 黄 绿 青 兰 紫
练 当 空 舞
钻石和光
显微目镜 微目镜
飞秒激光束 飞秒激光束
折射率 变化
XYZ 台
Resolution 120nm; Bull size：10µm ×7µm ： µ µ
光学历史引言： 光学历史引言： 几何光学： 几何光学
墨子对光学很有研究，对于光的直线传播、光的反射和若干物影成像，进 行了精彩的描述。 有一次，墨子进行光学实验，他在堂屋朝阳的地方，让一个人对着小孔 站在屋外，在阳光的照射下，屋内相对的墙上出现倒立人像。墨子通过小 孔成像的光学实验，阐述了光的直线传播原理，成为后代摄影技术的先声。
波动光学
胡克是光的波动说支持者。1665年，胡克提出了光的波动说， 他认为光的传播与水波的传播相似。1672年胡克进一步提出光 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
.色彩亮麗的蝴蝶 蝴蝶翅膀放大圖
*折射率与光速 折射率与光速
sin i1 n2 sin i1 v1 = , = sin i2 n1 sin i2 v2 v1 n2 = v2 n1
20世纪60年代，非线性光学…
2、惠更斯原理 、
荷兰物理学家，天文学家，数学家 。1629年4月14日生于海牙 ，1695年 7月8日 卒于同地 。1645～1647年在莱顿大学学习法 律与数学 1647～1649 年转入布雷达学院深造 。在阿基米德的著作和R.笛卡尔等人的影响下，致 力于力学 、光学、天文学及数学的研究。1663年选为英国皇家学会成员。 C. Huygens(1629—1695) 1666年选为刚成立的法国科学院的成员。1681年返回荷兰定居。 惠更斯首先发明了摆钟并对有关时计的若干种摆（单摆、复摆、旋轮摆等）作了研究，这对 当时天文与航行上所用和后来时计的发展起了重要的作用。惠更斯是创建经典力学的先驱之一， 在研究钟摆、圆周运动、完全弹性体碰撞等问题中，他阐明了许多动力学的概念和规律（摆的 运动方程与周期、向心力与离心力、摆动中心、转动惯量、简单情况下的动量及机械能守恒定 律等）。他精通几何光学和擅长应用光学技术，设计了新的透镜研磨法而制成消除像差的惠更 斯目镜以致优质的显微镜和望远镜，其中物镜焦距长达数十米的天文望远镜沿用了近一个世纪。 惠更斯是经典物理光学的奠基人。他提出的光的波动理论是以“光是以太媒介中的波动”为 前提和波的惠更斯原理为核心的光波理论。这原理的现代表述为：在行进波的波阵面上各点发 出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播的新波面；它适用于一切的波 动。据此，惠更斯不但解释了光的反射与（在各向同性介质中）光的折射定律和光的定性的衍 射现象，尤为精彩的是他用这一原理来定量说明了光在单轴晶体如冰洲石中的双折射现象。原 始的惠更斯原理“不能说明及确定光衍射强度的定性分布”的不足之处 ，由后来菲涅耳加以补 充而使之完备（ 见惠更斯-菲涅耳原理）。 在数学方面 ，惠更斯主要是在 1658 年求得摆线（旋轮线）曲线的长度。在天文学方面，他发 现了土星的光环、土卫六和猎户星云等。其他还有对空气泵和气压计的改进，提出测微计的初 步设想，发明钟表的弹簧游丝，改进测温术 ，对引力及地球形状的研究，提出各种动力机的设 想等工作与成就。《光论》是他的经典名著。
入射角为i1的平面波，波前为 ♣ 惠更斯原理导出折射定律 ABC CC ' C→C’的时间： ∆t =
v2 ρ A = v2 ⋅ ∆t = CC ' v1
由C’点向圆A作切线C’A’ B点：ρB 次波面的公切面：A’B’C’ 次波中心和切点的连线AA’、 BoB’, 折射光的传播方向，折射 角为i2:
A点：
v1
CC ' sin i1 = , AC '
v2 CC ' sin i2 = = AC ' v1 AC '
ρA
折射定律：
sin i1 v1 = = const sin i2 v2
◈折射定律和速度比 光粒子说：
sin i1 v2 = = const sin i2 v1
1850年傅科和斐索测量了光速，光波动说又一次得到了证实。
唐初孔颖达（574-648） 若云薄漏日，日照雨滴则虹生。 唐初孔颖达（574-648） “若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”
南宋程大昌 《演繁露》中记载到：“凡雨初霁，或露之未晞，余 点缀于草木枝叶之末，欲坠不坠，则皆聚为圆点，光莹可喜。日 光入之，五色俱足，闪烁不定。是乃日之光品著色于水，而非雨 露有此五色也。”
《光学》 光学》
讲课人： 陈志坚 联系方法：电话 62754990，Email：zjchen@, 办公室：物理北楼260 讲课方式： PPT和板书结合 考试方式：闭卷笔试 教材： 《光学.近代物理》，《现代光学基础》 讲义： ftp:///pub/zjchen/
墨子及其弟子的著作，统称为《墨子》。其中《经上》，《经下》、《经说上》、《经 说下》及《大取》、《小取》六篇，专说名辩和时间、空间、物质结构、力学、光学、声学、 代数、几何等内容.
左佩金燧” 右佩木燧” 《礼记》 “左佩金燧”、“右佩木燧” 礼记》 左佩金燧 玉篇》 燧 以取火于日” 《玉篇》 “燧，以取火于日”
3. 折射率： 折射率是一个关于介质材料光学性能的重要参数，它源于折射 率定律：
sin i1 n2 = n12 = sin i2 n1
真空：n=1, *色散 色散 同一种介质对于不同的波长具 有不同的折射率，称为色散。 玻璃：n=1.5, 空气：n=1.000292
色素颜色
颜色
结构颜色
小羽枝表皮下面的二维周期结构是羽毛颜色的起因。模 拟显示二维周期结构沿表皮方向对某一波段的光有很强 的反射，造成颜色。孔雀羽毛的颜色策略非常精妙、简 单。不同颜色仅仅是由于表皮下的二维周期结构的周期 长度不同，兰色对应的最小，棕色对应的最大。还有一 种机制利用了Fabry-Perot效应。减小周期数目会增强F-P 效应，引入额外的颜色，造成混合色。棕色羽毛即采用 这种策略。
对于光波的进一步认识—电磁波： 对于光波的进一步认识 电磁波： 电磁波
法拉第由于对电磁学作出的贡献而成为19世 纪最伟大的物理学家之一 。
法拉第 (1817-1867)
麦克斯韦 (1831-1879)
麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家，建立了第一个完整的 电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象 的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。 赫兹用实验证实了电磁波的存在，赫兹先求出振荡器的 频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波 的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样，电磁波传播的 速度等于光速。1889年在一次著名的演说中，赫兹明确 的指出，光是一种电磁现象。 赫兹 (1857-1894)
量子光学
薛定谔 Erwin Schrödinger 1887-1961
海森伯 Werner Karl Heisenberg 1901-1976
尼尔斯·玻尔 Niels Bohr 1885-1962
普朗克 Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858-1947
爱因斯坦 (1879-1955)
近代和现代光学： 近代和现代光学： 光谱学 1815年，夫琅和费 (J.V.Fraunhofer,1787— 1826)开始用分光镜研 究太阳光谱中的暗线。
本生
R. W. Bunsen(1811－1899 )
基尔霍夫
（G. R. Kirchhoff,1824～1887）
非பைடு நூலகம்性光学
1958年，贝尔实验室的Arthur Schawlow和哥伦比亚大学的Charles Townes发表了 “红外线和光激射器”——这篇论文为后来激光技术和应用领域的发展开辟了道 路，1960年，休斯顿航空公司的Theodore Malman 用人造红宝石制造了一个激光 器。
牛顿,1704年，《光学》一书出版。随着天文学、 英国 牛顿 力学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学. 牛顿则持光的微粒说，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。
04系列光学课程内容
光学导言(2) 第一章 光学导言 傅立叶变换光学引言(5) 第五章 傅立叶变换光学引言 1、 光学发展概要 1、 波前变换和相因子分析 2、 费马原理与惠更斯原理 2、 余弦光栅的衍射场 波动光学引言(3) 第二章 波动光学引言 3、 傅立叶变换光学大意 1、 光波的认识（电磁波） 4、 阿贝成像原理与空间滤波 2、 光波的数学描述 5、 泽尼克的相衬法 3、 波前函数 6、 全息术原理 光的干涉(7) 第三章 光的干涉 光的偏振和光在晶体中的传播(5) 第六章 光的偏振和光在晶体中的传播 1、概述 1、 自然光和偏振光 2、光波的叠加和干涉 2、 起偏器与检偏器、马吕斯定律 3、分波前干涉—杨氏干涉 3、 菲涅耳公式 4、其他分波前干涉装置 4、 双折射现象 5、分振幅干涉—薄膜干涉（等倾和等厚干涉） 5、 惠更斯作图 6、迈克耳孙干涉仪和马赫-曾得尔干涉仪 6、 波片和补偿器 7、时间相干性和空间相干性 7、 偏振光的干涉 光的衍射(8) 第四章 光的衍射 8、 人为双折射 1、 惠更斯-菲涅耳原理 9、 旋光性, 测糖术 2、 圆孔和圆屏菲涅耳衍射、波带片 吸收、色散、 第七章 吸收、色散、散射 3、 夫琅禾费单缝衍射 4、 夫琅禾费圆孔衍射和光学仪器的分辨本领 期中 40% 5、 位移-相移定理 期末 50% 6、 一维光栅、二维光栅 期中考试 作业 10% 7、三维光栅—x射线晶体衍射