波动光学讲义 (1)

波动光学Wave Optics Wave Optics

•第一章光波的基本性质

•第二章傅立叶变换和特殊函数•第三章光的干涉

•第四章光的衍射

•第六章光的偏

第章的偏

引言：光学老又新，前程似锦引言：光学老又新前程似锦古希腊的光武器

公元前213－211年锡

拉库扎战役阿基米德

让几百人拿金属镜把

太阳光聚焦到罗马战

舰上。

本故事可能是虚构的

§0光的粒子说和波动说

一、光的粒子学说(17-18世纪)：

由笛卡尔提出,牛頓支持

由笛卡尔提出牛頓支持1. 光微粒模型：

研究光的色散;他23

岁完成了分光实验。

但他认为这是光的

粒子性的证据。

3.光粒子说发生的困难：

(1)无法解释介质界面的部分反射与部分折射现象；

(2)虽然解释了光的折射现象，但错误预测了在介质中的光速比真空中大。

(3)无法解释光的干涉和衍射现象。

二、光的波动说

惠更斯发展了光的波动理论。

发现在光密介质中光速变慢。

解释了光的偏振性和双折射。

惠更斯原理惠更斯原理：光波传播时的波

阵面是由发射球面波的点源阵

光的波动说可解释的光学现象

列组成的

•直线传播

•反射定律折射律•在介质中的光速比在真空中小•折射定律•部分反射与部分折射•光的干涉与衍射

•光的偏振现象。

支持光的波动说的实验

杨氏(1773-1829) 解释了干涉和牛顿环的彩色，证明了光是横波。

菲涅耳(1788-1827) 通过实验建立了波动理论，推导了反射和透射波的表达式

射和透射波的表达式。

菲涅耳

(1831-1879),

麦克斯韦(18311879)

麦克尔逊(1852-1931) 和莫雷(1838-1923)

麦克斯韦提出了著名的电磁方程组

（通过以太）

证明了光是电磁波（通过以太）。

James Clerk Maxwell 光的波动说的困难：无法解释光电效应和康普顿效应1881年，麦克尔逊和莫雷随后做了一个实验力图测量地球相对以太的速度，发现无任何相对运动，从而否定了以太的存在。

(1879-1955)爱因斯坦(18791955)爱因斯坦证明

光是一种物质，可以在真空中传播；光是种物质，可以在真空中传播；

光在真空中的速度恒定与观测光在真空中的速度恒定，与观测

者的速度无关。这彻底改变了传统的时间和空间概念；

Albert Einstein 光具有波粒二象性。Albert Einstein

你们了解到的光学在哪些方面有应用？

20世纪60年代—激光出现

古典光学获得新生。在短短的几十年中，就出现了一大批光学新成果。它涉及大能量、高相干性光源的传输以批光学新成果它涉及大能量高相干性光源的传输以及光和物质的相互作用等问题，并由此派生出一系列光

学领域的新分支。

右图为染料激光器

应用

1、构成各种光学仪器：利用光波的传播规律可构成各种成像光学仪器。其中包括：显微镜；望远镜；照相机、投影仪等。而利用一些光的效应则可进一步构成红外夜视仪、像增强器、高速摄影机等

通过红外装置能够透过烟雾看见物体

应用

哈勃望远镜红外制导导弹

应用

2、构成各种光学检测、计量仪器，以及各类光学检测方法：利用光的传输特性以及光和物质相互作用的各种效应构成的各种光学检测、计量仪器，则是人们认识和观测世界的重要手段

激光共焦显微镜干涉显微镜

应用

3、构成各种光学加工和光学医疗系统：利用光和物质相互作用的热效应，可构成一系列的光学加工机（其加工用的光学能量大到一万瓦量级，小到瓦量级）、光学医疗系统

激光焊接

课程简介

作

１、物理光学的地位与作用(基础)光学

物理光学几何光学(光传播

光的波粒物光学的宏观性质)

二象性

波动光学量子光学各类应用光学：军用光学、生理光学、空间光学

光学主要研究内容

主要涉及三个方面光波的发射传输和接收主要涉及三个方面：光波的发射、传输和接收固体发光电光源气发射

固体发光、电光源、气体放电、化学光源、光源电致发光、光致发光、

激光、半导体光源

（黑体辐射，激光原理，

半导体物

半导体物理）

光学的主要研究内容

经典光学：几何光学，物理光学，分子

光学等

近代光学：（激光问世后）：

1.大空间范围：干涉：相干光学、统计

传输光的传输

（光和物光学、薄膜光学；衍射：付里叶光学、衍射光学、二元光学；偏振：晶体光学、偏振光学；其它：矩阵光学、激光束光学海洋光学大气光学生理光学组

质相互作用）学、海洋光学大气光学、生理光学、组织光学

2.小空间范围：导波光学、光纤光学、二元光学微光学近场光学

二元光学、微光学、近场光学

3.大光能量（高光能密度）：非线性光学、强光光学、自适应光学

4.非均匀介质：非均匀介质光学、散射光学，组织光学

光学的主要研究内容

接收

照相底片（光化学作

用）眼睛（光生理效光探

测器

用）、眼睛（光生理效

应）、光电器件（光电

）、电器

效应热释件

（光热效应）