(translated)现代光学介绍
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荷兰的Willibrord Snell (1591-1626) 发现了折射定理，至 今以它命名.
开普勒 (Johannes Kepler) (1571–1630)
发现全反射
解释望远镜工作原理
发展了几何光学的一阶理论
发现了折射定理的小角度近似
更多的17世纪光学
笛卡尔 (Descartes) 把光建模为在介质中的压力 变化. 费马（Pierre de Fermat） (1601-1665) 研究了Rene Descartes (1596-1659) 他的“最小时间原则." 意大利的一位数学教授格里马第 （Francesco Maria Grimaldi ）(1618-1663) 发现了衍射现象. 罗伯特· 胡克 （Robert Hooke） (1635-1703) 研究了薄膜 间的有色干涉，并且发展了光的第一个光波动理论.
Augustin Fresnel
James Clerk Maxwell (1831-1879), Michelson (1852-1931) & Morley（莫雷） (18381923)
James Clerk Maxwell Maxwell用他著名的方程组 统一了电和磁，指出光是一 种电磁波，在以太中传输。
Christiaan Huygens (1629-1695)
惠更斯 （Huygens） 发展了光波动 理论.
他意识到光进入密集的介质 会变慢.
他解释了偏振和双折射现象. 惠更斯原理解 释光的传播： 波前是由点 源阵列组成， 每一个点波 源 都发射出一个 球面波.
双折射
牛顿（Isaac Newton） (1642-1727)
Microwave
IR
UV X-ray
水中的渗透深度
1m
对可见光，水是清澈 的, 可以看到很深的， 但对别的不是.
Radio
1 mm
注意此处穿透深度的变化超 过10个量级！
1 µm
1 km
1m
1 mm
1 µm
1 nm
波长 可见光谱
一个有趣的问题是当光遇到一个界面时会发 生什么现象.
以一个斜角入射,光可以完全透过或者完全被反射。
2 E 2 E me 2 0 t
它有一个简单的正弦波解:
E(r , t ) cos(t k r )
光是电磁波
电场(E) 和磁场 (B) 是同相的.
电场方向，磁场方向和传播方向都是互相垂直的。
光的吸收剧烈地变化.
水中的穿透深度 vs. 波长
1 km
Albert Einstein
光的方程组是麦克斯韦方程组
E r /e B 0 B E t E B me t
其中 E 是电场, B 是磁场, r 是电荷密
度, e 是介电常数, m 是介质的磁导率。
对电场，麦克斯韦方程可以简化为波动方 程.
Augustin FresnelLeonhard Euler (1707-1783)进一 步发展了光的波动理论，并且采用不同材料的镜 子，设计出了消色差的镜子。 Thomas Young (1773-1829) 解释了干涉现象和彩 色条纹，并且指出光是横波。
Augustin Fresnel (1788-1827) 通过实验，建立波动理论，并且 推导了反射波和透射波表达式。
用一个部分反射透镜，我们可以把一束光分为两部分.
然后我们把两束光合成,它们的相对相位关系 。 上面所示的Sagnac 干涉仪用来测量旋转。
通常，它们自己就会相互干涉.
杨氏双缝实验
当光束通过两个狭缝时会产生什么现象?
这个思想是很多激光技术的核心, 例如，全息技术, 超快摄影术和声光调 制器.量子力学的测试也会用到它。
现代光学: 介绍
光学简史
麦克斯韦方程 波动方程 有关光的奇妙现象 全反射（ Total internal reflection ） 干涉 衍射 激光 非线性光学 超快光学 傅立叶变换和它在光学中的重要作用
古代的光学
在埃及法老塞索斯特里 Sesostris II陵墓附近，工人的住处发现镜子 (公元 前1900)。 古人利用抛光过的铜、青铜(铜/锡合金)制作的镜子。 古希腊 (公元前 500-300) Aristophanes（阿里斯托芬，雅典剧作家） 提到过取火镜(凸透镜，公 元前 424) 反射定律: Euclid（欧几里得）在 “反射光学”中提到 (公元前 300) Plato（帕拉图）在“理想国”一书中提到水的折射。 罗马 古罗马哲学家 西尼加（Seneca） (公元前 3–公元后 65 ) 论述过水球可以作 为透镜 阿拉伯科学家阿尔哈森 （ Alhazen） (公元后1000)研究过 球形和抛物线形 的镜子
傅立叶分解在光学中 有重要作用.
这里，我们画一个方波作为具 有不同频率的正弦波的总和。
傅立叶变换可能是科学中最重要的公式。
它将一个时间的函数转换为频率的函数:
? E( )
Leabharlann Baidu
1 2
E(t) exp(i t ) dt
反变换几乎是采用同样的公式:
E (t )
E ( ) exp(i t ) d
James Clerk Maxwell
Michelson 和 Morley 随后做了测量。在假定以太存在的情 况下，细心地测量了地球相对于以太的转速，发现它应该 是零，有力地驳斥了以太的存在。.
Albert Einstein (1879-1955)
Einstein 指出光:
是可以在真空中存在的现象; 具有一种恒定的速率,独立于观察者 的速率，这具有令人难以置信的时 空概念； • 既是波又是粒子。
17世纪早期欧洲的光学
1608年，荷兰眼镜工匠H.李普希 （ Hans Lippershey） 为伽利略型望远镜申请专利 Galileo (1564-1642) 用望远镜观 测木星和它的卫星.
那不勒斯的佛兰西斯哥.凡达那 (Francisco Fontana)用凸透镜取代 伽利略望远镜目镜中的凹透镜, 产生了开普勒型望远镜 .
“我用一块三角形玻璃棱镜， 来实验一下大家熟悉的颜色现象.“ (Newton, 1665)
Isaac Newton
Newton 把光学带到一个精确的水平。23岁时, 他做了著名的把光分 解为不同成分的谱的实验。在矛盾了很多年之后，他最终总结出光 的粒子学说，但是其他人不赞同。
18和19世纪光学: Euler 、 Young 和 Fresnel
“全反射” 是光纤产业的基础, 一个价值数十亿美元的产业。
光不仅是波，还是粒子。
照片用较暗的光看起来呈颗粒状的。
Very very dim Very dim Dim
Bright
Very bright
Very very bright
当我们探测非常弱的光时, 会发现光是由粒子组成，我们称之为光子。
光可以互相干涉.
“简言之,光是物质最精细的形式.”
路易· 德布罗意
这意味着光束可以互相穿过。
非线性光学产生了很多奇异的现象.
发送红外光到一个晶体中产生如右 所示的绿光：
非线性光学使我们可以改变光 的颜色, 在时间和空间上改变它 的形状, 并且可以用于测试量子 力学的基本原理。
超短激光脉冲是曾经创造的最短的 事件。
脉冲强度 vs. 时间 和脉冲频谱, 一个脉冲宽度只 有 4.5 x 10-15秒，即 4.5 飞秒：
光子进入介质后经历受激发射。这样，在离开介质时，光子 的数量大于进入时。 一个部分反射的镜子使一些光能够输出。
如果一个往返路程后光子数量增大，即I3 > I0，激光器将会发出激光。
电磁学是线性的: 叠加原理适用。
如果 E1(x,y,z,t) 和 E2(x,y,z,t) 都是麦克斯韦方程的解,
那么 E1(x,y,z,t) + E2(x,y,z,t) 也是一个解。
衍射
光遇到障碍物会绕行，这称为衍射。
光通过矩形狭缝后的图样:
一个狭缝:
两个狭缝:
远场的衍射图样是狭缝传播对空间位置的傅立叶变换。
二维的衍射
当光通过一个在两维尺度都很小的小孔时,远场的衍射图 样是狭缝传播对空间位置的二维傅立叶变换。
当光通过一个小的方 孔时，远场的光分布：
激光
激光，存储有能量，两面镜子。
开普勒 (Johannes Kepler) (1571–1630)
发现全反射
解释望远镜工作原理
发展了几何光学的一阶理论
发现了折射定理的小角度近似
更多的17世纪光学
笛卡尔 (Descartes) 把光建模为在介质中的压力 变化. 费马（Pierre de Fermat） (1601-1665) 研究了Rene Descartes (1596-1659) 他的“最小时间原则." 意大利的一位数学教授格里马第 （Francesco Maria Grimaldi ）(1618-1663) 发现了衍射现象. 罗伯特· 胡克 （Robert Hooke） (1635-1703) 研究了薄膜 间的有色干涉，并且发展了光的第一个光波动理论.
Augustin Fresnel
James Clerk Maxwell (1831-1879), Michelson (1852-1931) & Morley（莫雷） (18381923)
James Clerk Maxwell Maxwell用他著名的方程组 统一了电和磁，指出光是一 种电磁波，在以太中传输。
Christiaan Huygens (1629-1695)
惠更斯 （Huygens） 发展了光波动 理论.
他意识到光进入密集的介质 会变慢.
他解释了偏振和双折射现象. 惠更斯原理解 释光的传播： 波前是由点 源阵列组成， 每一个点波 源 都发射出一个 球面波.
双折射
牛顿（Isaac Newton） (1642-1727)
Microwave
IR
UV X-ray
水中的渗透深度
1m
对可见光，水是清澈 的, 可以看到很深的， 但对别的不是.
Radio
1 mm
注意此处穿透深度的变化超 过10个量级！
1 µm
1 km
1m
1 mm
1 µm
1 nm
波长 可见光谱
一个有趣的问题是当光遇到一个界面时会发 生什么现象.
以一个斜角入射,光可以完全透过或者完全被反射。
2 E 2 E me 2 0 t
它有一个简单的正弦波解:
E(r , t ) cos(t k r )
光是电磁波
电场(E) 和磁场 (B) 是同相的.
电场方向，磁场方向和传播方向都是互相垂直的。
光的吸收剧烈地变化.
水中的穿透深度 vs. 波长
1 km
Albert Einstein
光的方程组是麦克斯韦方程组
E r /e B 0 B E t E B me t
其中 E 是电场, B 是磁场, r 是电荷密
度, e 是介电常数, m 是介质的磁导率。
对电场，麦克斯韦方程可以简化为波动方 程.
Augustin FresnelLeonhard Euler (1707-1783)进一 步发展了光的波动理论，并且采用不同材料的镜 子，设计出了消色差的镜子。 Thomas Young (1773-1829) 解释了干涉现象和彩 色条纹，并且指出光是横波。
Augustin Fresnel (1788-1827) 通过实验，建立波动理论，并且 推导了反射波和透射波表达式。
用一个部分反射透镜，我们可以把一束光分为两部分.
然后我们把两束光合成,它们的相对相位关系 。 上面所示的Sagnac 干涉仪用来测量旋转。
通常，它们自己就会相互干涉.
杨氏双缝实验
当光束通过两个狭缝时会产生什么现象?
这个思想是很多激光技术的核心, 例如，全息技术, 超快摄影术和声光调 制器.量子力学的测试也会用到它。
现代光学: 介绍
光学简史
麦克斯韦方程 波动方程 有关光的奇妙现象 全反射（ Total internal reflection ） 干涉 衍射 激光 非线性光学 超快光学 傅立叶变换和它在光学中的重要作用
古代的光学
在埃及法老塞索斯特里 Sesostris II陵墓附近，工人的住处发现镜子 (公元 前1900)。 古人利用抛光过的铜、青铜(铜/锡合金)制作的镜子。 古希腊 (公元前 500-300) Aristophanes（阿里斯托芬，雅典剧作家） 提到过取火镜(凸透镜，公 元前 424) 反射定律: Euclid（欧几里得）在 “反射光学”中提到 (公元前 300) Plato（帕拉图）在“理想国”一书中提到水的折射。 罗马 古罗马哲学家 西尼加（Seneca） (公元前 3–公元后 65 ) 论述过水球可以作 为透镜 阿拉伯科学家阿尔哈森 （ Alhazen） (公元后1000)研究过 球形和抛物线形 的镜子
傅立叶分解在光学中 有重要作用.
这里，我们画一个方波作为具 有不同频率的正弦波的总和。
傅立叶变换可能是科学中最重要的公式。
它将一个时间的函数转换为频率的函数:
? E( )
Leabharlann Baidu
1 2
E(t) exp(i t ) dt
反变换几乎是采用同样的公式:
E (t )
E ( ) exp(i t ) d
James Clerk Maxwell
Michelson 和 Morley 随后做了测量。在假定以太存在的情 况下，细心地测量了地球相对于以太的转速，发现它应该 是零，有力地驳斥了以太的存在。.
Albert Einstein (1879-1955)
Einstein 指出光:
是可以在真空中存在的现象; 具有一种恒定的速率,独立于观察者 的速率，这具有令人难以置信的时 空概念； • 既是波又是粒子。
17世纪早期欧洲的光学
1608年，荷兰眼镜工匠H.李普希 （ Hans Lippershey） 为伽利略型望远镜申请专利 Galileo (1564-1642) 用望远镜观 测木星和它的卫星.
那不勒斯的佛兰西斯哥.凡达那 (Francisco Fontana)用凸透镜取代 伽利略望远镜目镜中的凹透镜, 产生了开普勒型望远镜 .
“我用一块三角形玻璃棱镜， 来实验一下大家熟悉的颜色现象.“ (Newton, 1665)
Isaac Newton
Newton 把光学带到一个精确的水平。23岁时, 他做了著名的把光分 解为不同成分的谱的实验。在矛盾了很多年之后，他最终总结出光 的粒子学说，但是其他人不赞同。
18和19世纪光学: Euler 、 Young 和 Fresnel
“全反射” 是光纤产业的基础, 一个价值数十亿美元的产业。
光不仅是波，还是粒子。
照片用较暗的光看起来呈颗粒状的。
Very very dim Very dim Dim
Bright
Very bright
Very very bright
当我们探测非常弱的光时, 会发现光是由粒子组成，我们称之为光子。
光可以互相干涉.
“简言之,光是物质最精细的形式.”
路易· 德布罗意
这意味着光束可以互相穿过。
非线性光学产生了很多奇异的现象.
发送红外光到一个晶体中产生如右 所示的绿光：
非线性光学使我们可以改变光 的颜色, 在时间和空间上改变它 的形状, 并且可以用于测试量子 力学的基本原理。
超短激光脉冲是曾经创造的最短的 事件。
脉冲强度 vs. 时间 和脉冲频谱, 一个脉冲宽度只 有 4.5 x 10-15秒，即 4.5 飞秒：
光子进入介质后经历受激发射。这样，在离开介质时，光子 的数量大于进入时。 一个部分反射的镜子使一些光能够输出。
如果一个往返路程后光子数量增大，即I3 > I0，激光器将会发出激光。
电磁学是线性的: 叠加原理适用。
如果 E1(x,y,z,t) 和 E2(x,y,z,t) 都是麦克斯韦方程的解,
那么 E1(x,y,z,t) + E2(x,y,z,t) 也是一个解。
衍射
光遇到障碍物会绕行，这称为衍射。
光通过矩形狭缝后的图样:
一个狭缝:
两个狭缝:
远场的衍射图样是狭缝传播对空间位置的傅立叶变换。
二维的衍射
当光通过一个在两维尺度都很小的小孔时,远场的衍射图 样是狭缝传播对空间位置的二维傅立叶变换。
当光通过一个小的方 孔时，远场的光分布：
激光
激光，存储有能量，两面镜子。