大学光学经典课件L1_绪论

重点是物理光学部分 (干涉，衍射，偏振)
如何学好光学课程



课前预习 按时听课 及时复习 独立完成作业 要主动答疑
参考书
参考书 姚启钧
a. 光学教程
b. 新概念物理教程《光学》赵凯华 c. 光学 赵凯华、钟锡华 d. 光学 e. 光学 母国光 吴强
课程安排
a. b. c. d. 期中测验 20% 习题 10%
四、量子光学时期 1900~1950，近50年
1、1900年普朗克提出了量子假说，成功地解释了 黑体辐射问题 2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了 光电效应问题 3、光的某些行为象经典的“波动” 4、另一些行为却象经典的“粒子”
光的本性
光的两种互补性质： 传播过程中显示波动性 与其他物质相互作用时显示粒子性 光具有波粒二象性
期末考试 70% 常规答疑两周一次
绪
论
一、光学发展的概况
人类感官接收到外部世界的总信 息量中至少有90％以上通过眼睛 光学是一门古老的学科，又是一 门新兴的年青学科 激光器诞生后，光学开始了迅猛 发展，成为科研前沿极为活跃的学科
五个时期
一、萌芽时期
公元前500年~公元1500年 经历大约2000年 面镜、眼镜和幻灯等光学元件 已相继出现
五、现代光学时期 从1950年至今
1、全息术、光学传递函数和激光的问世 是经典光学向现代光学过渡的标志 2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度 飞速发展 1）智能光学仪器 2）全息术 3）光纤通信 4）光计算机 5）激光光谱学的实验方法
二、 光 强
1）可见光的波长范围： 4000 7600 其中： 1 10 8 cm 频率： c / 真空中的光速： c 3 108 m / s 对应的频率范围： 7.5 ~ 3.9 1014 Hz
在光频波段 1
1/ 0 0
c 1 / 0 0
n c /
故
S
0 2 n 2 nE E 0 c0
真空中电磁波的波动方程： E E0 cos( t ) 可得：
1 2 E E cos ( t ) E0 (1 cos(2( t ))) 2
2 0
在相同介质中有：I nE02
4）相对光强：
IE
2 0
注意： 光强是一个平均值
n I S E02 2c0
5）光强定义为一个平均值的原因
响应时间：能够被感知或被记录所需的最短时间 人眼的响应时间： t 0.1s
最好的仪器的响应时间大约： 10 9 s
光波的振动周期： T 10 15 s
二、几何光学时期
1500~1800，大约300年
1、建立了光的反射定律和折射定律， 奠定了几何光学的基础 2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器 3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位 4、对折射定律的解释是错误的
n2 n1
v2 n v1n
v1t
v1t v1 sin i1 v2t v2 sin i2
I dI i( )d
0 0
5）线光谱：光谱集中在一些分立的波长区 间的 线状谱线，就叫线光谱。
dI d dI d

3 2 连续光谱 线光谱 谱线宽度：每条线光谱在其半强度值处的波长间隔 称为谱线宽度。越小表示光波的单色性越好

1
光学的研究对象、分支与应用
光 学
任课教师：邵凤兰
学好光学课的重要意义

当今科研前沿的热门学科 光学课程是众多光学方面课程的基础启蒙课程 如：激光原理与技术，量子光学，信息学光纤 光学，集成光学，光谱学，光子开关术全息光 存储技术，光纤通信技术原理，非线性光学， 晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等
光学课的特点
内容新：中学学得不多，光学发展很快，新 内容不断涌现 分支多：几何光学，干涉，衍射，偏振，光与 物质的相互作用 公式多：大约有近200个公式 课程编排特点：
光学是研究光的传播以及它和物质相互作用问题的学科 几何光学：
从光的直进、反射、折射等基本实验定律出发，研究成像等光的传播问题
（尺度相对光的波长大得多，从而其波动效应不明显）
波动光学： 研究光的波动性的学科（干涉、衍射、偏振） 量子光学： 研究光和物质相互作用的问题（分子、原子尺度） 近代光学:
2 2 0 2
1 T n 2 1 T n 2 I S E dt E0 cos 2 ( t )dt T 0 c 0 T 0 c 0
I n 2c0T

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0
2 I1 n1 E01 2 在不同媒质中有： I 2 n2 E02
n E (1 cos(2( t )))dt E02 2c0
t T
人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度 有实际意义的是光波的平均能流
三、光 谱
1）单色光：仅有单一波长的光叫单色光，否则 是非单色光。 2）谱密度： dI ~ d i ( ) dI
d
3）光谱：谱密度随波长变化的分布曲线 4）连续光谱：光谱随波长的变化分布连续叫做 连续光谱

2）光强： 通过单位面积的平均光功率， 或者说，光的平均能流密度 3）光强表达式： S E H ，E H
0 E 0 H
S EH
0 2 E 0
0 , 0 分别是真空介电常数和真空磁率
, 分别是相对介电常数和相对磁率
v1n v i1 1
i2
sin i1 / sin i2 v2 /v1
上式与折射定律 sin i1 / sin i2 n2 / n1 比较，有 v2 /v1 n2 / n1 亦即：光在光密媒质中的速度较大
v 2t
v2
v2n
三、波动光学时期 1800~1900，近100年
1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉现 象 2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解释了光的 衍射现象 3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象 4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波 5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小 于在空气中的传播速度 6、波动光学的理论体系已经形成，光的波 动说战胜了光的微粒说