基础光学(赵凯华版)Chap1 Introduction

1光学2009.02~2009.06教师简介•董建文–2003年理学学士中山大学物理学系光信息–2000-03年辅修中山大学信科学院计算机系–2003-07 光学博士光电材料与技术国家重点实验室–2007年助理研究员香港科技大学物理系•办公室：南校区激光所403•Phone: (020)84111469,84037563-8403•E-email：dongjwen@ •Homepage: /dong/•Course website: http://202.116.84.117:403/2课程提纲（Syllabus ）1.引言（Introduction）2.几何光学（Geometrical Optics）3.光的干涉（Interference）4.光的衍射（Diffraction）5.光的偏振（Polarization）6.光的吸收、散射、色散（Absorption,Scattering, Dispersion）7.光的量子现象（Quantum of the light）8.激光（Laser）9.现代光学进展（Progresses of Optics）包括：全息（Holography），光子晶体与负折射率材料(Photonic crystals & Negative refraction metamaterials)，量子光学11(Quantum Optics)12参考书（Reference Texts ）•《光学》，赵凯华钟锡华，北京大学出版社•《光学》章志鸣等编著，高等教育出版社•《基础光学》，李良德，中山大学出版社•《普通物理学教程——光学》，易明，高等教育出版社•Principles of Optics 7th edition, Born & Wolf, Cambridge•课程要求成绩考核•课堂笔记•平时作业25%•考试成绩20%(Midterm) + 45%(Final)•严肃纪律(点名) 10%•课程网址：http://202.116.84.117:403/第1章引言§1.1 光学发展史1.中国古代它是一门古老的学科。

早在3000年前的中国，人们就有利用光学现象的先例。

如铜镜、凹面镜取火（《周礼·考工记》，周朝）等。

到了公园前400年，我国出现了有关针孔成像（《墨经》：“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。

"）、平面镜和球面镜（《梦溪笔谈》，宋朝）等早期光学实验记录。

13最早的光学实验•世界上最早的光学实验，是我国二千四五百年前，由杰出科学家墨翟和他的学生进行的。

•在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影。

为什么会出现这奇怪的现象呢?•墨家解释说，这是因为光线像射箭一样，是直线进行的。

人体下部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成了倒立的影。

并且还指出，人的位置离墙壁由远及近，暗室里的影也由小变大，倒立在墙上。

这在世界上是对光直线传播的第一次科学解14释。

第1章引言§1.2 世界史•欧几里德（Euclid, 330～275B.C.，希腊人）在光学一书中，对平面镜成像进行了研究，并且指出反射角与入射角相等的关系。

•长期以来，人们对光学的科学研究集中在光的本质、光的传播以及与物质的相互作用方面。

对于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种看法各异的观点――微粒说和波动说。

151617th century: optics takes off •1621: 折射定律Law of Refraction,Willebrord Snell (Holland)•1664: 干涉interference:color in thin films, Robert Hooke (England)light is a rapid vibratory motion in media•1665: 衍射diffraction,Francesco Grimaldi (Italy)•1677: wave theory,Christiaan Huygens (Holland)•1704: particles , Isaac Newton (England)Progress in optical instrumentation:refracting telescope, compound microscope Lecture 117•光一直是哲学家和科学家们感兴趣的话题。

•早期的光学研究：几何光学（直线传播、反射、折射、镜面成像、透镜成像等问题），但不涉及光电本质。

•笛卡尔首先提出了关于光本性的两种假说，一种认为光是类似于微粒的一种物质，另一个认为光是一种以“以太”为·煤质的压力。

牛顿在剑桥大学时进行光学实验1819•惠更斯认为，光以球面波的形式连续传播。

在烛光中的每一个小区域都能以该区域为中心产生其本身的球面波。

20212223•代表人物–胡克（R. Hooke ）–惠更斯（C. Huygens ）提出的。

•其认为–光是一种波动，光的传播不是微粒的运动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。

–波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。

–遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程，认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊的弹性介质（以太ether）充满空间，这种介质应密度极小和弹性模量极大。

这些均无法实验验证。

波动说Wave theory24微粒说Corpuscular theory •代表人物:–笛卡尔（R. Descartes ）–牛顿（I. Newton）•其认为：•发光物体都发射光微粒，这些微粒遵守力学定律，可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。

•微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象，亦可勉强解释光的折射。

但对实验中相继发现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法解释。

25Particles or waves?Christiaan Huygens1629 –1695Isaac Newton1643 –17271704年版《光学》扉页26惠更斯（Christiaan Huygens)的几大成就•土星环•土卫六（泰坦）•波动说的惠更斯原理•摆钟的发明27…18th century…Corpuscular theory prevailsWave theory is forgotten…2819th century～1801年 杨氏 （Thomas Young , 英国人） 双缝实验证实了光的干涉现象， 这是波动说才能解释的現象。

2919th century• 1814, Frensel (France) 重新做了“光的绕(衍)射实 验”，进一步证明波动说。

1. 2. 3.皆有可能3019th century: Maxwell~1864: Maxwell introduced four equations that described all known electro-magnetic phenomena and showed theoretically that an electromagnetic pulse or wave, moving in space, could exist.∆Φ E = ∑ E⊥ A =Maxwell’s equationsq∆Φ B = ∑ B⊥ A = 0ε0E = ∑ E||l = −∆Φ E ⎞ ⎛ ∑ B||∆l = µ0 ⎜ I + ε 0 ∆t ⎟ ⎝ ⎠∆Φ B ∆tSurprisingly, he found that this EM-wave must move at a speed of 300,000 km/s - i.e. speed of light! Maxwell suggested that light is an electromagnetic wave3119th century: HertzIn 1886 Heinrich Hertz experimentally proved the electromagnetic wave nature of light"It's of no use whatsoever,“ "This is just an experiment that proves Maestro Maxwell was right - we just have these mysterious electromagnetic waves that we cannot see with the naked eye. But they are there.“1857 - 189432EM wave transmitterEM wave receiver以太 ether• 在光学发展过程中，曾出现过令物理学家大为困惑的，极力寻找和证实的物 质――以太(ether)。

• •Q: 既然光是一种波，那么，它赖以传播的介质是什么？ 这个问题直到19世纪末随着洛伦兹（H. A. Lorentz） 创立电子论及随后的场论，使以太论最终抛弃。

• 1905年，Einstein提出狭义相对论，否定了以太的存在。

他 认为光是电磁波，在真空中传播不需要什么媒体，并假设出 光在真空中的传播速度（～3×108 m/s）和质能关系（E = mc2）。

3320th centuryDifficulties! Wave theory cannot explain: - 黑体辐射 black body radiation spectrum - 光电效应 photoelectric effect - 康普顿效应 Compton effect3420th century: The birth of quantum theory1900: To explain black body radiation, Planck suggested that energy of light consists of quantaEphoton = hνMax Karl Ernst Ludwig PlanckPlanck’s constant frequency1905: Albert Einstein proposed that light consists of particles (光子 photons) that have energy and momentum depending on frequency Special theory of relativity: speed of light in vacuum is the same in all inertial reference systems (光速不变性)3520th century: quantum theoryQuantum nature of light is pronounced at low light intensities Light: dual nature, both wave and particle In this course, we will mostly work in the frame of classical EM wave theory of light36第1章 引言§1.2 光是一种电磁波• 特定波段的电磁波粒 子 性 显 著波 动 性 显 著37• 对人的视觉起作用的电磁波称为可见光。