第二章 光学和光子学基本知识.

1.几何光学



： 从理论上说，几何光学三个基本定律 （直线传播，折射、反射定律）,是费马原 理的必然结果,也是光波衍射规律的短波近 似。 它们在方法上是几何的，在物理上不 涉及光的本质。 几何光学主要是从直线传播，折射、 反射定律等实验定律出发，讨论成像等特 殊类型的 传播问题。
2.波动光学：




1948年全息术的提出，1955年光学传递函数的建 立，1960年激光的诞生为其发展中的三件大事。 薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技 术的发展； 傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍 射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光 学变换过程，形成了光学信息处理的内容． 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学 领域；
3.量子光学


把光视为一个个分立的粒子,它主要用于分 析辐射、光发射以及某些在物质的微观结 构起重要作用时光与物质的相互作用现象。 在这领域内有时可用经典理论，有时需用 量子理论。对于这类原不属于传统光学的 内容，有人冠之以“分子光学”或“量子 光学”等名称，也有人把它们仍归于物理 光学之内。
4.近代光学：



研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）以及用波 动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。 基本问题：在各种条件下的传播问题。 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。 波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面， 更多的是指一个平面。 主线：如何描述、识别、分解、改造、记录和再 现波前，构成了波动光学的主线
20世纪的认识



经典物理的困难 1887年迈克而逊和莫雷实验,否定了“以太”假说, 以“静止以太”为背景的绝对时空观遇到了根本 困难; 瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁理论,导出黑 体辐射公式,它要求辐射能量随频率的增大而趋于 无穷. 上述经典物理的困难预示着近代物理学两个革命 性的重大理论—相对论和量子论的诞生.
4.近代光学：




非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介 质已不满足线性叠加原理时所产生的一些新现象， 如倍频,混频,自聚焦等; 对光导纤维的研究形成了纤维光学或导波光学; 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信 得到迅速发展和应用,成为人类在20世纪最重要 的科技成就; 非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术 的结合可能会导致新一代计算机—光计算机的诞 生.据预测它将部分实现人脑的功能(如学习和联 想)
几何光学的三个实验定律
光程
l nl
N i 1
B
——均匀介质
l ni li
l A n d l
——经过N种均匀介质
——介质折射率是逐点连续改变
30
费马原理
1657年费马(Fermat)概括了光线传播的实 验定律，把它们归结为一个统一的原理：光 线在A， B两点间传播的实际路径，与任何其 它可能的邻近的路径相比，其光程为极值。 简言之，光沿光程为极值(极大、极小或常量) 的路径传播，即
单心光束、实象和虚象
一、单心光束、实象和虚象
如果仅考虑光束的传播方向而不讨论其它问题，那么一个光 束可以看成是由许多光线构成的。根据这个概念可以把发光点看 做是一个发散光束的顶点，凡是具有单个顶点的光束叫做单心光 束。如果在反射或折射之后光线的方向虽然改变了，但光束中仍 然能找到一个顶点，也就是说光束的单心性没有遭到破坏，那么 这个顶点便是发光点P的象。在这种情况下，每个发光点都给出一 和它对应的象点。如果光束中各光线实际上确是在该点会聚的， 那么这个聚点叫做实象。如果反射或折射后的光束仍是发散的， 但是把这些光线反向沿长后仍能找到光束的顶点，则光束仍保持 单心性。这个发散光束的会聚点叫做虚象。
光子和光子学
光子与电子的异同：
光子
能量 没有质量 没有电荷 没有大小 具有波长和波动性
电子
物质
9.1×10-31kg 1.6×10-19C
有大小 具有波长和波动性
光子和光子学
•光子学也可称光电子学，它是研究以光子 代替电子作为信息载体和能量载体的科学， 主要研究光子是如何产生及其运动和转化 的规律。 •光子技术，主要是研究光子的产生、传输、 控制和探测的科学技术。现在，光子学和 光子技术在信息、能源、材料、航空航天、 生命科学和环境科学技术中的广泛应用， 必将促进光子产业的迅猛发展。
2.几何光学规律的发现



公元前4世纪：“墨经”记述了光的直线传播、 阴影形成、光的反射和凹凸面镜反射成像等规 律。 公元前3世纪：古希腊欧几里德Euclid也发现了 光的直线传播和镜面反射定律 公元17世纪前期：荷兰的斯涅耳（W.Snell）从 实验上发现了折射定理,而法国的笛卡儿 （R.Descartes）第一个把它表示为现代的正弦 形式;1657年费马(P.deFermat)提出了著名的费 马原理.

光的波粒二象性—波动性
光的波动性----光是横向电磁波。 光波的波长λ、波速度v与振动频率v的关系 v=λv 光在真空中的速度为3×105km/s。在物质中的 传播速度是不相同的。光波真空中的传播速度 与物质中的传播速度比为物质的折射率 n=c/v （c为真空中的光速，v为物质中的光速）
光的颜色是由光的波长决定。
微粒说认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流; 直接说明了光的直线传播定律,并能对光的反射,折射作一 定的解释; 用微粒说研究光的折射定律时,得出了光在水中的速度比 空气中大的结论.

17世纪中叶至19世纪的认识


波动说的内容、贡献、存在的主要问题。
胡克明确主张光由振动组成,每一振动产生一个球面并以高速 向外传播,此为波动说的发端; 1690年惠更斯在其著作<<论光>>中提出光是在一种特殊弹性 媒质中传播的机械纵波. 19世纪初,托马斯.扬和菲涅耳等人的工作将波动说大大推向前 进,解释了光的干涉和衍射现象,根据光的偏振现象确认光为横 波; 用波动说研究光的折射定律时,得出了光在水中的速度比空气 中小的结论,并于1862年被傅科的实验所证实. 特殊弹性媒质始终未能找到.
光学和光子学基本知识
王成 （博士） 医疗器械工程研究所
讲述提纲


光学概述
一、光学的科学体系 二、对光学现象的发现与认识 三、对光本性的认识，波动光学的发展史 四、光子学概述



光学基本原理和概念
一、光学的科学体系




光学：是研究光的本性,光的传播以及它和物 质相互作用的学科。 1.几何光学：基于“光线”的概念讨论光的传 播规律。 2.波动光学：研究光的波动性（干涉、衍射、 偏振）的学科。 3.量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。 4.现代光学：20世纪后半期发展起来的很庞大 的体系。




17世纪中叶至19世纪的认识



光的电磁理论的提出、主要贡献和问题。 19世纪60 年代,麦克斯韦建立电磁理论,预 言了电磁波的存在,并根据电磁波的速度与 光速相等的事实,麦克斯韦确信光是一种电 磁现象, 1888年赫兹实验发现了无线电波,证明了麦 克斯韦电磁理论的正确性. 特殊弹性媒质“以太”始终未能找到



1、光的直线传播定律——在均匀的介质中，光沿直线 传播； 2、光的独立传播定律——光在传播过程中与其他光束 相遇时，不改变传播方向，各光束互不受影响，各自独 立传播。 3、光的反射定律和折射定律 当光由一介质进入另一介质时，光线在两个介质的分 界面上被分为反射光线和折射光线。 反射定律：入射光线、反射光线和法线在同一平面内， 这个平面叫做入射面，入射光线和反射光线分居法线两 侧，入射角等于反射角 光的折射定律：入射光线、法线和折射光线同在入射 面内，入射光线和折射光线分居法线两侧，介质折射率 不仅与介质种类有关,而且与光波长有关。
从380nm到760nm (1nm=10-9m)之间为可见波段， 其颜色为
380nm～430nm紫、430nm～485nm蓝、 485nm～550nm绿、550nm～585nm黄、 585nm～610nm橙、610nm～760nm红，
其他小于380nm的为紫外波段大于760nm为红外波 段，这些波段为不可见光波段
光的波粒二象性
简单地说，大量光子显波动性，少量 光子显粒子性，光在传播过程中主要 表现为波动性，当光与物质相互作用 时，主要表现为粒子性。
光的粒子性
1900年普朗克提出电磁辐射的能量子假设。 1905年爱因斯坦发展了量子假说，提出了 光量子理论，认为光在本质上是由确定能量 的光子（光量子）组成。光子的能量与光的 频率成正比。
20世纪的认识



光的某些方面的行为象经典的“波动”,光的 波动性，也不是惠更斯所说的波，而是几率 波。遵循统计规律。 另一某些方面的行为象经典的 “粒子”. 实际上“波动”和 “粒子”都是经典物理的 概念.近代科学实践证明,光是一个十分复杂的 客体,对于它的本性问题,只能用它所表现的性 质和规律来回答,任何经典的概念都不能完全 概括光的本性. 波粒二象性是一切物质所共有的特性。
三、对光本性的认识，波动光学的 发展史



17世纪中叶以前的认识 17世纪中叶至19世纪的认识： 光的波动说和微粒说 20世纪的认识：波粒二象性
2.17世纪中叶至19世纪的认识



人类对光本性的认真探讨始于17世纪，主 要有两个对立的学说——光的波动说和微 粒说 微粒说的内容、贡献、存在的主要问题。
3.波动光学现象的发现


17世纪： 50年代，意大利的格里马第（F.M.Grimaldi）首次 详细地描述了衍射现象； 英国的胡克（R.Hooke）和玻依耳(R.Boyle)各自独 立地发现了现称为“牛顿环”的在白光下薄膜的彩 色干涉图样; 牛顿（I.Newton）进行了棱镜分光实验,并分析了 “牛顿环” 的生成及色序问题。 60年代，丹麦的巴塞林那斯（E.Bartholinus）发现 了双折射现象。 70年代荷兰的惠更斯（C.Huygens）进一步发现了 光的偏振现象。
l n d l 0
B A
31
1. 光程取极小值的例子
作B点对平面镜M 的对称点B`，经过 这样的镜面对称转 换，使得B`属于反 射前的介质空间， 和A同属一空间。连 接AB`，交镜面于C。 不难看出，ACB路 径是光程取极小值 的路径。
32
2．光程取常数值的例子
从焦点F1发出的光 线，经椭球面反射后 都通过焦点F2，根据 从两焦点至椭圆上任 一点P的距离之和为 常数的特点，可知光 程[F1PF2]恒等于另一 光程 [F1P`F2]，这相 当于光程为常量的情 形。
光学基本原理和概念


一、几何光学 二、电磁波理论 三、波动光学 光波的干涉和衍射
几何光学


重点：
1、光线、光束、实像、虚像等概念； 2、Fermat原理 3、 薄透镜的物像公式和任意光线的作图成像法； 4、几何光学的符号法则（新笛卡儿法则）；


光线与波面 “光线”只能表示光的传播方向，决不可认为是 从实际光束中借助于有孔光阑分出一个狭窄部分。 只有在极限情况下，光线表示光的传播方向。 说“光束由无数光线构成”，是说光沿无数不同的 方位传播。在各向同性介质中，光的传播方向总 是和波面的法线方向相重合。 在许多实际情况下，人们经常考虑的只是光的传播 方向问题，可以不去考虑位相。这时波面就只是 垂直于光线的几何平面或曲面。这种极限情况， 实际上是把光线和波面都看作是抽象的数学概念。 对许多实际问题，借助于光线的概念，应用某些 基本的实验定律及几何定律，就可以进行一切必 要的计算而不必涉及光的本性问题。这部分以几 何定律和某些基本实验定律为基础的光学称为几 何光学。
二、对光学现象的发现与认识


1.对光的早期认识 2.几何光学规律的发现 3.波动光学现象的发现
wk.baidu.com
17世纪中叶以前的认识



如前所述：主要有触觉论、发射论两种。 公元10世纪：发射论完全取代触觉论。 完成了人类对光本性认识的第一次飞跃。
1.对光的早期认识




公元前5世纪：人们就已经考虑视觉是如何 产生的。提出两种假设：触觉论、发射论。 触觉论：如同手触摸物体，但不能解释黑 暗中看到物体的现象。 发射论：物体发射“光”。 公元10世纪：发射论完全取代触觉论。
33
3．光程取极大值的例子
右图为一内切于回转 椭球面的曲面镜MN，P为 切点．从F1发出，经曲面 镜 MN 反射后再过 F2 的光 线，只可能是 F1PF2 这条 光线。曲面镜上任意其它 点 P` 均 在 椭 球 内 ， 所 以 光线 F1PF2 的光程较任何 其它光线F1P`F2的光程都 大。
34