工程光学基础教程课件(全书ppt)

• 1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十 分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为 最小单位进行的。
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光学的发展历史
• 在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光 学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、 光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒 性。
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什么是 光学?
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
什么是光学？
•狭义来说，光学是关于光和视见的科学， optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见 相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的， 是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发 生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用 的科学。 • 光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其 他应用技术紧密相关的学科。
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经典光学的研究内容
• 通常把光学分成几何光学、物理光学（波动光学）和量子光学三 个大类。
• 几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播 问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各 种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条 件下的近似或极限。
• 物理光学（波动光学）是从光的波动性出发来研究光在传播过程 中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便 的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒 质中传插时所表现出的现象。
• 1922年发现的康普顿效应，1928年发现的喇曼效应，以及当时已 能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发 展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明，现代物理学 中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关 于光的研究中诞生和发展的。
• 此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和 现代科学技术前沿的重要组成部分。
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光学的发展历史
• 1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于 空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值 的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为 赫兹的实验证实。
• 1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念， 提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能 以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光 的量子称为光子。
• 19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄 膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补 充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳 原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直 线传播。
• 1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年， 韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位 的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的 内在关系。
应
用
光
学
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光是什么?
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光学的发展历史
• 光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。 人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物 体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代)，中国的《墨经》 中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述 影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字 讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。
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光的本性
• 很久以来，人们对光就进行了各种各样的研究。光到底是什么东西呢？这 个问题困扰了许多有才智之士。牛顿提出著名的光微粒说：光是由极小的高速 运动微粒组成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的质量最大，红光微 粒的质量最小。到十九世纪初期，发现了光的干涉、绕射和偏振现象，这些行 为只适合于光的波动理论解释。到1863年麦克斯韦发表著名的电磁理论，揭 示了光波其实是电磁波的一种，这时波动理论的最后的一个难题--传播媒质问 题也被解决了。但从十九世纪末起，却发现了一系列令人困惑的新的实验结果。 这些结果共同的特点是，他们无法用麦克斯韦理论来解释。其中最典型的是光 电效应实验。伟大的爱因斯坦于1905年提出光量子说来解释该实验。光一方 面具有波动的性质，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性质，如光电效 应等。这两方面的综合说明光不是单纯的波，也不是单纯的粒子，而是具有波 粒二象性的物质。这是认识上的不断加深而得到的结论。应该注意这也还不是 最后的答案。对于光的本性，虽然经过这么多年的探索，我们所知道的也的确 是太少了。光到底是什么？是在某一时刻表现为粒子，而在另一时刻表现为波？ 还是完全不同于我们现在所知的某种物质？这些问题也是当今的科学家们在苦 苦思索的问题。
• 量子光学是从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科 即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。
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什么是应 用光学?
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什么是应用光学？
• 应用光学(工程光学)：光学是由许多与物理学紧密联系的分 支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背 景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的 物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收 器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的 测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学 仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、 纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天 文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器
• 自《墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；公元 1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直 到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结 果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。
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光学的发展历史
• 1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成 部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。 它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空 间上的分离是由光的本性决定的。