光学

5 现代光学时期
从上世纪六十年代起，特别在激光问世以后，光学与许多科 学技术领域紧密结合、相互渗透，一度沉寂的光学又焕发了 青春，以空前的规模和速度飞速发展，它已成为现代物理学 和现代科学技术一块重要的前沿阵地，同时又派生了许多崭 新的分支学科。
1958年肖络（A.L.Schawlow）和汤斯（C.H.Townes）等提出把 微波量子放大器的原理推广到光频率段中去
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先看一些图片
中间的哪 个圆大？
这是个正 方形吗？
是否是一个旋涡？ 两条竖线哪一条长？
这是个正 圆吗？
这两条线 平行么？
是静态图片还是动态图片？
21世纪是信息时代 人们获取信息的来源
人类获得信息有五大感官 眼、耳、鼻、舌、皮肤 看、听、味、嗅、触 人类获得总信息量中60—80%是通过 眼睛获得的。
二、光学仪器（典型光学系统） 1 望远镜：观察远处的物体，宏观: 军事、
大地测量、天文 2 显微镜：观察近处小物体，微观: 生物、
测量、隧道、原子力 3 照相机：瞬时现象的纪录：摄影、摄像、图
像记忆 4 投影仪：电影、报告厅投影仪、投影电视
学习要求 按学生守则规定；遵守学习、考试纪律；按时独立 完成作业；出席、作业、实验记入成绩。
光，Light，是我们最熟悉的 现象之一，没有光，人类就
无法生存。
生活中，大自然中有关光的现象无处不在
佛光
2007-7-1秦皇岛佛光
2008-10-27黄洋界佛光
2008-10-27 黄洋界佛光
彩虹
2009年8月21日牡丹江市上空出 现两道彩虹景观
人类首次拍到南北极光“同放光彩”
极光
极光弧
极光带
极光片 极光片
极光幔
极光芒
海市蜃楼
2005年深圳湾出现的海市蜃楼
日晕
罕见南极日全食照片-地平线上的黑太阳
美探测器拍下地球上无法看到的太空日食照片
美探测器拍下地球上无法看到的太空日食照片‐组图
月食的形成
视频：NASA拍到地球上无法看到的太空日食
光学仪器 现在请同学们自己举出一些光学仪器
光学的应用领域越来越广泛
折射定律的精确公式则是菲涅耳 （ W.Snell,1591-1626 年 ） 和 笛 卡 儿 （R.Descares，1596-1650年）提出的。接着 费马（P.de Fermat，（1601-1665）在1657 年首先指出光在介质中传播时所走路程取极值 的原理，并根据这个原理推出光的反射定律和 折射定律。综上所述，到十七世纪中叶，基本 上已经奠定了几何光学的基础。
工业上： 显微镜、 汽车车身 的检测、 机器人视 觉、材料 金相结构
车身模型数 字化系统
农业上：收割、除草、叶面与果实的检测
叶面积仪
军事上：望远镜、夜视仪、导弹制导、激光测距、 无人驾驶侦探机、平视显示器等等
红外侦察
激光制导
红外雷达和 平视显示器
用于牙医
医学上：胃镜、CT、虹膜检测、生物检测
电子胃镜
应用光学 Applied Optics
哈尔滨工业大学
电气工程及自动化学院 光电信息技术与仪器工程学科
哈尔滨工业大学科学园D栋
主讲教师：崔继文 86412041‐815
cuijiwen@ 助课：张韬 86412041‐805
sxh_00664@ 开课单位：超精密光电仪器工程研究所
1 萌芽时期
古希腊人认为光是 人眼发出的触须。
墨子（公元前468-376年）在 《墨经》中记载了光的直线传 播特性（影像的形成和针孔成 象等）及光在镜面（凹面和凸 面）上的反射等现象，把物和 象的位置与大小与所用镜面的 曲率联系了起来。
克莱门德（Cleomedes，公元50年）和托勒 密（C.Ptolemy，公元90-168年）研究了光的 折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面 时的入射角和折射角。培根（R.Bacon，公元 1214-1294年）提出用透镜校正视力和采用透 镜组构成望远镜的可能性，描述透镜焦点的位 置。到十五世纪末和十六世纪初，凹面镜、凸 面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件 已相继出现
• 1948年 D.Gabor全息照相术的发明，几乎记录了光波携带的全 部信息。诺贝尔奖金获得者
• 1955年 H.H.Hopkins光学传递函数理论的建立，用于像质评价 • 1960年T.H.பைடு நூலகம்ainman红宝石激光器诞生，震动世界，光学别开
生面。
应该指出的是，人们 对光的认识还远未完 结，对光的本性、传 播规律以及光与物质 相互作用的研究还在
不断继续。
光学是一门什么样的科学？
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。
通信上：星际间通信、光缆通信
航天上：哈勃望远镜
“哈勃”太空望远镜拍摄的狮子座“NGC 3370”螺旋星系的照片
日用中：扫描仪、光碟、照相机
哈勃太空望远镜拍摄的宇宙快速膨胀的照片
增加室内空间感
光学的发展
光学的发展大致可划分为五个时期： 一、萌芽时期； 二、几何光学时期； 三、波动光学时期； 四、量子光学时期； 五、现代光学时期。
第一章 几何光学的基本定律
• 从本质上讲，光是电 磁波，它是按照波动 理论进行传播。
• 但是按照波动理论来讨论 光经透镜和光学系统是的 传播规律或成像问题时将 会造成计算和处理上的很 大困难，在实际解决问题 时也不方便。
好累！太不 方便了！
• 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性， 那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光 抽象成一条条光线，然后按照来研究光学系统 成像。
意大利人格里马第（F.M.Grimaldi,1618‐1663年 ）首先观察到光的衍射现象，1672‐1675年 间胡克（R.Hooke，1635‐1703年）也观察到 衍射现象，并且和波义耳（R.Boyle，1627‐ 1691年）独立地研究了薄膜所产生的彩色干
涉条纹，所有这些都是光的波动理论的萌芽
1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理， 形成了人们所熟知的惠更斯一菲涅耳原理。杨氏在 1817年提出了光波是一种横波。菲涅耳进一步完善 了这一观点并导出了菲涅耳公式。
1845年法拉第（M.Faraday，1791-1867年）发 现了光的的振动面在强磁场中的旋转，提示了光和 电磁现象的内在联系。
3 波动光学时期
十九世纪，初步发展起来的波 动光学体系已经形成。杨（ T.Young，1773‐1829年）和菲 涅耳（A.J.Fresnel，1788‐1827 年）的著作在这里起着决定 性 的 作 用 。 1801 年 杨 氏 最 先 用干涉原理令人满意地解释 了白光照射下薄膜颜色的由 来和用双缝显示了光的干涉 现象，并第一次成功地测定 了光的波长。
What is optics?
Different people had different version on what is optics.
To a layman, it's just a piece of glass. To a student, it's physics and chemistry. To an optician, it's a piece of art. To a designer, it's challenge and achievement. To a scientist, it is a piece of aid. And finally, don't be surprise that many users don't even know the existent of optics.
应用光学学习内容
一、了解成像的原理与光学元件、系统。成 像是光学基础的基础。
学生通过本门课程的学习，对现有光学系统 应具有分解、分析的能力，即把光学系统 、设备仪器分解成基本功能元素，搞明白 相互关系和作用，加以应用。
另一方面，学生应具有外形尺寸的结构设计 、计算、基本元素的组合集成为光学系统 的能力。
2 几何光学时期
光学发展史上的转折点。建立了光的反射和 折射定律，奠定了几何光学的基础。 荷兰李普塞（H.Lippershey）在1608年发明了 第一架望远镜。延森（Z.Janssen，1588‐1632 ）和冯特纳（P.Fontana，1580‐1656年）最早 制作了复合显微镜。1610 年伽里略（1564‐ 1642年）用自己制造的望远镜观察星体 开普勒（1571‐1630年）提出用点光源照明时 ，照度与受照面到光源距离的平方成反比的 照度定律。还设计了用两块凸透镜构成的开 普勒天文望远镜。
麦 克 斯 韦 （ J.C.Maxwell ， 1831‐1879 年 ） 在 1865 年 的 理论研究中指出，电磁波以 光速传播，光是一种电磁现 象。这个理论在1888年被赫 兹 （ H.R.Hertz ， 1857‐1894 年）的实验证实，他直接从 频率和波长来测定电磁波的 传播速度，发现它恰好等于 光速，至此，就确立了光的 电磁理论基础。
问题变得简单 而且实用！
基本方法：把光的概念 同几何学中的点、线、 面有机地联系起来。
4 量子光学时期
十九世纪末到二十世纪初： 1887年赫兹发现光电效应。 1900年普朗克（1858‐1947年）
提出了辐射的量子论。
1905年爱因斯坦（1879-1955 年）发展了普朗克的能量子假 设，把量子论贯穿到整个辐射和 吸收过程中，提出了杰出的光量 子（光子）理论，圆满解释了光 电效应，并为后来的许多实验例 如康普顿效应所证实。1924年德 布罗意（L.V.de Broglie）创立了 物质波学说。这一假设在1927年 为戴维孙（C.J.Davisson，18811958）和革末（L.H.Germer， 1896-1971年）的电子束衍射实 验所证实。
。
十七世纪下半叶，牛顿 （I.Newton，1642-1727年） 和惠更斯（C.Huygens，16291695年）等把光的研究引向进 一步发展的道路。牛顿观察了
白光在空气薄层上干涉时所产 生的彩色条纹—牛顿环。牛顿 于公元1704年提出了光是微粒 流的理论。
惠更斯反对光的微粒 说，认为光是在“以太”中 传播的波。成功地解释了 反射和折射定律。在以牛 顿为代表的微粒说占统治 地位的同时，由于相继发 现了干涉、衍射和偏振等 光的波动现象，以惠更斯 为代表的波动说也初步提 出来了。
• 光导纤维成为一种新型的光学元件，为光学窥视（传光传象）和 光通讯的实现创造了条件，它已成为某些新型光学系统和某些特 殊激光器的组成部分。
• 可以预期光计算机将成为新一代的计算机，想象中的光计算机， 由于采取了光信息存储，并充分吸收了光并行处理的特点，它的 运算速度将会成千倍地增加，信息存储能力可望获得极大的提高 ，甚至可能代替人脑的部分功能。
1960年梅曼（T.H.Maiman，1927‐ ），首先成功地制成了红 宝石激光器。自此以后，激光科学技术的发展突飞猛进，在 激光物理、激光检测、激光加工、激光医学等各方面都取得 了巨大的进展。
• 全息术在全息显微术、信息存贮、象差平衡、信息编码、全息干 涉量度、声波全息和红外全息等方面获得了越来越广泛的应用。
• 现代光学与其他科学和技术的结合，已在人们的生产和社会生活 中发挥着日益重大的作用和影响
• 1935年F.Zenike提出相衬原理，是信息光学的早期成果。（用于 显微观察）诺贝尔奖金获得者。
• 1946年P.M.Duffiieux 把傅里叶变换引入光学领域，形成傅里叶 光学，用线性系统理论和空间频域的概念分析光的传播、衍射 和成像等现象。用改变频谱的方法处理相干成像系统中的光信 息，促进了图像科学、应用光学和光电子科学的发展。
学习方法：概念、作图、运算、工程应用 特别注意：不套用普物的学习方法，落课及时补
教材及参考书： 1）应用光学 安连生 北京理工大学出版社 2）工程光学基础 徐家骅 机械工业出版社 3）工程光学 李湘宁 科学出版社 4） 应用光学 张以谟 电子工业出版社 5 ）应用光学概念 题解与自测 李林，黄一帆 北理工出版社