光学讲义 内蒙古大学理工学院物理系 郭维生 2003年10月
光 学 讲 义 内蒙古大学理工学院物理系 郭维生 2003年10月
前言 旋陆题料学光的传描、光和物质的相互作用,以光的性 光是一种重要的自然现象,由于它与人类生活和社会生活密切联系 此光学也和天文 早发展起来的 科。早在我国春秋战国时期,墨翟及其弟子所著《墨经》中,就记载 着关于光的直线传播和光在镜面上的反射等现象,并提出了一系列 经验规律,把物和象的位置、大小与所用镜面的曲率联系起来。然而 个历史时期里,人类的光学知识仅限于一些现象和简单规律 的描述。对光本性认识的探讨,应该说是从十七世纪开始的,当时有 两个学说并立。 方面,以牛顿为代表的一些人提出了微粒理论( corpuscular 认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。这一学说直 接说明了光的直线传播定律,并能对光的反射( reflection).和折射 ( refraction)作一定的解释。但是,用微粒说研究光的折射定律 出了光在水中的速度比空气中快的错误结论。光的微粒理论差不多 治了千七、十八两纪
前言 ⚫ 光学是研究光的辐射、光的传播、光和物质的相互作用，以及光的性 质和应用等问题的科学。 ⚫ 光是一种重要的自然现象，由于它与人类生活和社会生活密切联系， 因此光学也和天文学、几何学、力学一样，是一门最早发展起来的学 科。早在我国春秋战国时期，墨翟及其弟子所著《墨经》中，就记载 着关于光的直线传播和光在镜面上的反射等现象，并提出了一系列的 经验规律，把物和象的位置、大小与所用镜面的曲率联系起来。然而， 在很长一个历史时期里，人类的光学知识仅限于一些现象和简单规律 的描述。对光本性认识的探讨，应该说是从十七世纪开始的，当时有 两个学说并立。 ⚫ 一方面，以牛顿为代表的一些人提出了微粒理论（corpuscular theory），认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。这一学说直 接说明了光的直线传播定律，并能对光的反射（reflection）和折射 （refraction）作一定的解释。但是，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快的错误结论。光的微粒理论差不多 统治了十七、十八两世纪
●另一方面,和牛顿同时代的惠更斯( C Huygens,1962-1965)从声和 微类想能案光发等轨豢弹性蝶质中传措的机 但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明,也没有指出光现 象的周期性,没有提到波长的概念,而且认为光是纵波。因而他的理 论是很不完善的 ●十九世纪初,托马斯杨( T. Young,1773-1829)和菲涅耳(A. Fresnel,1788-1827)等人的实验和理论工作,把光的波动理论大大推 向前进,解释了光的干涉( interference)和衍射( diffraction)现象 初步测定了光的波 并根据光的偏振( polarization)现象,确认光 是横波。十九世纪六十年代,麦克斯韦建立了他著名的电磁理论,预 电磁波的存在,并指 确信光 电磁波的速度与光速相同:因此麦克斯 种电磁波,即波长较短的电磁波。这个理论在188年被 的实验所证实。后来的实践又证明,红外线、此外线和X射线 也都是电磁波,它们的区别只是波长不同而 为了解释黑体辐射,1900年普朗克( M. Pland,1858-1947)提出了光 的量子假说,认为各种频率的电磁波,只能象粒子似的以一定最小份 额的能量发生(称为能量 另一个显示光的微粒性的重要现象是 光电效 米究竟是微粒还是波动?这个 争论重新摆在了我 面前。近代科学实验表明,光是个十分复杀的客体
⚫ 另一方面，和牛顿同时代的惠更斯（C. Huygens, 1962-1965）从声和 光某些现象的相似性出发，认为光是在一种特殊弹性媒质中传播的机 械波。这个理论也能解释光的反射和折射等现象。 但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，也没有指出光现 象的周期性，没有提到波长的概念，而且认为光是纵波。因而他的理 论是很不完善的。 ⚫ 十九世纪初，托马斯·杨（T. Young, 1773-1829）和菲涅耳（A. Z. Fresnel, 1788-1827）等人的实验和理论工作，把光的波动理论大大推 向前进，解释了光的干涉（interference）和衍射（diffraction）现象， 初步测定了光的波长，并根据光的偏振（polarization）现象，确认光 是横波。十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了他著名的电磁理论，预 言了电磁波的存在，并指出了电磁波的速度与光速相同。因此麦克斯 韦确信光是一种电磁波，即波长较短的电磁波。这个理论在1888年被 赫兹的实验所证实。后来的实践又证明，红外线、此外线和X射线等 也都是电磁波，它们的区别只是波长不同而已。 ⚫ 为了解释黑体辐射，1900年普朗克（M. Pland, 1858-1947）提出了光 的量子假说，认为各种频率的电磁波，只能象粒子似的以一定最小份 额的能量发生（称为能量子）。另一个显示光的微粒性的重要现象是 光电效应。光究竟是微粒还是波动？这个古老的争论重新摆在了我们 面前。近代科学实验表明，光是个十分复杂的客体
对于光的本性问题,只能用它的表观性质和规律来回答:光的某些行 为象经典的“波动”;另一些行为却象经典的“粒子”。但是任何的 经典概念都不能完全概括光的本性。 在光学研究中,以光的直线传播性质为基础,研究光在透明介质中传 播问题的光学,称为几何光学。几何光学的主要内容有:光的直线传 播定律;光的独立传播定律;光的反射和折射定律。以光的波动性质 为基础,研究光的传播及其规律问题的光学称为波动光学。波动光学 的内容,主要包括光的干涉、衍射和偏振。以光和物质相互作用时显 示的粒子性为基础来研究光学,称为量子光学 ●1960年,在光学发展史上发生了不寻常的事件,一种具有极高亮度和 极好单色性的新型光源—激光器诞生了。激光器的发明开创 光学新时代,使得研究非线性光学、信息光学、全息术、光纤通讯和 集成光学等问题的现代光学得到了异常迅速的发展,它对当代生产和 科学技术的发展正在起着越来越大的作用
⚫ 对于光的本性问题，只能用它的表观性质和规律来回答：光的某些行 为象经典的“波动”；另一些行为却象经典的“粒子”。但是任何的 经典概念都不能完全概括光的本性。 ⚫ 在光学研究中，以光的直线传播性质为基础，研究光在透明介质中传 播问题的光学，称为几何光学。几何光学的主要内容有：光的直线传 播定律；光的独立传播定律；光的反射和折射定律。以光的波动性质 为基础，研究光的传播及其规律问题的光学称为波动光学。波动光学 的内容，主要包括光的干涉、衍射和偏振。以光和物质相互作用时显 示的粒子性为基础来研究光学，称为量子光学。 ⚫ 1960年，在光学发展史上发生了不寻常的事件，一种具有极高亮度和 极好单色性的新型光源——激光器诞生了。激光器的发明开创了一个 光学新时代，使得研究非线性光学、信息光学、全息术、光纤通讯和 集成光学等问题的现代光学得到了异常迅速的发展，它对当代生产和 科学技术的发展正在起着越来越大的作用
第一章光的干涉 §1-1光的电磁理论 十九世纪七十年代,麦克斯韦发展了电磁理论,从而导致电磁波的发 现。电磁波在不同介质的界面上发生反射和折射现象,在传播中出现 干涉、衍射和偏振现象,而根据当时已有的知识,光波也具有完全相 似的干涉、衍射和偏振等现象,它们之间有什么联系呢?电磁波在真 空中的速度 在实验误差范围以内,这个常数c与已测得的光速相等。于是麦克 斯韦得出这样的理论:光是某一波段的电磁波,c就是光在真空中的 传播速度
第一章 光的干涉 §1—1 光的电磁理论 ⚫ 十九世纪七十年代，麦克斯韦发展了电磁理论，从而导致电磁波的发 现。电磁波在不同介质的界面上发生反射和折射现象，在传播中出现 干涉、衍射和偏振现象，而根据当时已有的知识，光波也具有完全相 似的干涉、衍射和偏振等现象，它们之间有什么联系呢？电磁波在真 空中的速度 在实验误差范围以内，这个常数c与已测得的光速相等。于是麦克 斯韦得出这样的理论：光是某一波段的电磁波，c就是光在真空中的 传播速度