崔宏滨光学绪论 参考书 1. M. Born,E. Wolf Principle of Optics(《光学原理》,有中 译本) 2.赵凯华等《光学》,北京大学出版社 3.章志鸣等《光学》,高等教育出版社 绪论 细推物理须行乐,何用浮名绊此身? 杜甫《曲江二首》之 人每时每刻都在呼吸着,所以并不觉得呼吸是一种幸福。但如果不能呼吸了, 将会怎样?物理学对于我来说就像呼吸一样 李政道 、物理学离我们有多近? 物理学是一门自然科学,而且是一门非常重要的基础科学。我们在中学阶段已经学过了 物理学中关于力学、热学、光学和电磁学的内容,现在在大学里又要学习,而且在科技大学 物理学是作为一门公共必修课来学的。也就是说,物理学是必须学习和反复学习的。这是为 什么? 让我们先来看看一个简单的例子。计算机是集合了最先进科技的产品。如果对计算机的 硬件加以简单的分析的话,我们将得到如下结论: 首先看CPU和内存,它们是超大规模集成电路。要实现超大规模集成电路,从材料上 说,要有半导体,而人们认识和发现半导体,是量子力学的结果。从制备工艺上说,要有超 微细的光刻,即利用 Laser或XRay对材料加工,而 Laser和XRay也都离不开量子力学 再看磁盘,当然是磁性材料,是磁学的成果。光盘是光电子学的成果。显示器的扫描电 子束和荧光粉也都是物理学的成果 也就是说,计算机的绝大部分都是物理学的成果,没有物理学、特别是没有量子力学 是不会有计算机的。单从这一点来看,物理学在社会的发展和我们的生活中充当了多么重要 的角色。在现代社会中,认为物理学是一门纯粹的基础科学、离我们的生活很遥远的说法显 得多么幼稚!
崔宏滨 光学 绪论 参考书 1． M.Born，E.Wolf Principle of Optics （《光学原理》，有中 译本） 2． 赵凯华等 《光学》，北京大学出版社 3． 章志鸣等 《光学》，高等教育出版社 绪论 细推物理须行乐，何用浮名绊此身？ ——杜甫《曲江二首》之一 人每时每刻都在呼吸着，所以并不觉得呼吸是一种幸福。但如果不能呼吸了， 将会怎样？物理学对于我来说就像呼吸一样。 ——李政道 一、物理学离我们有多近？ 物理学是一门自然科学，而且是一门非常重要的基础科学。我们在中学阶段已经学过了 物理学中关于力学、热学、光学和电磁学的内容，现在在大学里又要学习，而且在科技大学， 物理学是作为一门公共必修课来学的。也就是说，物理学是必须学习和反复学习的。这是为 什么？ 让我们先来看看一个简单的例子。计算机是集合了最先进科技的产品。如果对计算机的 硬件加以简单的分析的话，我们将得到如下结论： 首先看 CPU 和内存，它们是超大规模集成电路。要实现超大规模集成电路，从材料上 说，要有半导体，而人们认识和发现半导体，是量子力学的结果。从制备工艺上说，要有超 微细的光刻，即利用 Laser 或 X-Ray 对材料加工，而 Laser 和 X-Ray 也都离不开量子力学。 再看磁盘，当然是磁性材料，是磁学的成果。光盘是光电子学的成果。显示器的扫描电 子束和荧光粉也都是物理学的成果。 也就是说，计算机的绝大部分都是物理学的成果，没有物理学、特别是没有量子力学， 是不会有计算机的。单从这一点来看，物理学在社会的发展和我们的生活中充当了多么重要 的角色。在现代社会中，认为物理学是一门纯粹的基础科学、离我们的生活很遥远的说法显 得多么幼稚！ 1
崔宏滨光学绪论 内存C材料∈半导体c量子力学 CPU ←量子力学 制备∈光刻∈ Laser,,xray 磁盘←磁学 光盘←光电子学 扫描电子束<电磁学 CRT 荧光粉←固体物理学 显示器液晶 固体物理学 等离子<固体物理学 「主板 CPU}集成电路 材料<半导体<量子力学 内存 制备∈光刻∈激光、X射线←量子力学 磁盘←磁学←固体物理学←量子力学 光盘←光电子学 阴极射/扫描电子束c电磁学 荧光粉<固体物理学 显示器 液晶←固体物理学 等离子←固体物理学 二.物理学的研究方法 1.物理学是一门实验科学 物理学是一门实验科学,因为物理学的研究对象是实实在在的物质,而不是抽象的逻辑 所以必须通过观察得到结论。一切结论都是建立在物理实验的基础之上的,而且一切结论都 必须经过实验的检验。光学也不例外
崔宏滨 光学 绪论 磁盘 光盘 显示器 ⇐ 磁学 ⇐ 光电子学 ⎭ ⎬ ⎫ 内存 CPU ⇐ IC ⎩ ⎨ ⎧ 制备 材料 ⇐ 半导体 ⇐ 光刻 ⇐ 量子力学 ⇐量子力学 ⇐ Laser, X − ray ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ 等离子 液晶 CRT ⎩ ⎨ ⎧ ⇐ 荧光粉 扫描电子束 ⇐电磁学 ⇐固体物理学 ⇐固体物理学 ⇐固体物理学 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⇐ ⇐ ⎩ ⎨ ⎧ ⇐ ⇐ ⇐ ⇐ ⇐ ⇐ ⎩ ⎨ ⎧ ⇐ ⇐ ⇐ ⇐ ⇐ ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ 等离子 固体物理学 液晶 固体物理学 荧光粉 固体物理学 扫描电子束 电磁学 阴极射线 显示器 光盘 光电子学 磁盘 磁学 固体物理学 量子力学 制备 光刻 激光、 射线 量子力学 材料 半导体 量子力学 集成电路 内存 主板 X CPU 二．物理学的研究方法 1．物理学是一门实验科学 物理学是一门实验科学，因为物理学的研究对象是实实在在的物质，而不是抽象的逻辑。 所以必须通过观察得到结论。一切结论都是建立在物理实验的基础之上的，而且一切结论都 必须经过实验的检验。光学也不例外。 2
崔宏滨光学绪论 2.物理学的理论体系 《自然哲学的数学原理》, Newton著,被认为是物理学的基石。从那时起,物理学的科 学体系开始建立,物理学的研究对象被确定,物理学的研究方法逐步完善。 从该书的名字中我们可以得到如下启示 物理学的研究对象一一自然的原理,物理学是自然哲学。 物理学的理论体系—一数学,用严格的数学理论阐述、推导和研究物理学的规律 可以说,物理学就是将自然界的原理用数学理论加以阐述的科学体系 3.物理模型 物理学中,为了概括事物的本质和特征,需要建立研究对象的模型。所谓模型,就是模 拟真实的一种形象化的构型。如质点、原子、电子等等,都是对真实的模拟。有了模型,就 可以对研究对象的特征进行描述、加以数学上的分析和推导,从而很容易得出新的结论。所 得到的结论同实验上的结果进行对比,如果一致,说明模型是正确的,即“自洽”,否则, 就要对模型进行修正。光学的发展过程正体现了这一特点。从“光线”模型,到“光波”模 型,再到“光子”模型,对光的认识越来越深入,对光的描述越来越准确。所以说,新模型 的建立,标志着新理论的建立,模型不断被修正,标志着物理学不断发展、前进。 三.光是什么? 人们对事物的本质和规律的认识,都是从认识其现象开始的。 光是一种自然现象,能够对眼睛产生刺激并由此在头脑中形成图象。可以说,光是包含 各种颜色、来自不同地点、具有各种角度的。人能够看到物体,从根本上说,是由于物体所 发出的光,即包含不同颜色、来自各个地点、具有各种角度的光进入我们眼睛的原因。人眼 所见的物体要么本身发光,要么反射来自其它地方的光。除此之外,光还能使物体发热,即 光具有能量。但如果仅仅限于对现象的描述,不能成为一门科学。 任何一门物理学科,都必须解决研究对象的两个问题:是什么?怎么样? 研究光的本质,必须从其现象开始,而其现象,则表现在光与物质的相互作用中。光与 不同材质、不同尺度的物体相互作用时,表现出不同的特性。因而,在不同的研究阶段,人 们对光的认识也是不同的。 在物理学中,人们要建立一门学科,总要先定义概念,即物理概念。物理概念是对某种 物质或现象的本质的描述和概括。反映了人们对事物认识的程度,因而在不同的阶段,同 概念所包含的内容是不同的 为了使物理概念形象化,人们往往建立物理模型来反映事物。例如,分子、原子、电子 都是模型,电磁波也是模型。宏观物体运动可以用质点运动模型来描述,微观粒子的运动可 以用量子模型描述。由于概念不断变化,反映概念的模型也不断改进更新。对于光的认识 也是这样的一个过程。光与不同物质相互作用时,表现出不同的特性,所以可以用不同的物 理模型来描述光
崔宏滨 光学 绪论 2．物理学的理论体系 《自然哲学的数学原理》，Newton 著，被认为是物理学的基石。从那时起，物理学的科 学体系开始建立，物理学的研究对象被确定，物理学的研究方法逐步完善。 从该书的名字中我们可以得到如下启示： 物理学的研究对象——自然的原理，物理学是自然哲学。 物理学的理论体系——数学，用严格的数学理论阐述、推导和研究物理学的规律。 可以说，物理学就是将自然界的原理用数学理论加以阐述的科学体系。 3．物理模型 物理学中，为了概括事物的本质和特征，需要建立研究对象的模型。所谓模型，就是模 拟真实的一种形象化的构型。如质点、原子、电子等等，都是对真实的模拟。有了模型，就 可以对研究对象的特征进行描述、加以数学上的分析和推导，从而很容易得出新的结论。所 得到的结论同实验上的结果进行对比，如果一致，说明模型是正确的，即“自洽”，否则， 就要对模型进行修正。光学的发展过程正体现了这一特点。从“光线”模型，到“光波”模 型，再到“光子”模型，对光的认识越来越深入，对光的描述越来越准确。所以说，新模型 的建立，标志着新理论的建立，模型不断被修正，标志着物理学不断发展、前进。 三．光是什么？ 人们对事物的本质和规律的认识，都是从认识其现象开始的。 光是一种自然现象，能够对眼睛产生刺激并由此在头脑中形成图象。可以说，光是包含 各种颜色、来自不同地点、具有各种角度的。人能够看到物体，从根本上说，是由于物体所 发出的光，即包含不同颜色、来自各个地点、具有各种角度的光进入我们眼睛的原因。人眼 所见的物体要么本身发光，要么反射来自其它地方的光。除此之外，光还能使物体发热，即 光具有能量。但如果仅仅限于对现象的描述，不能成为一门科学。 任何一门物理学科，都必须解决研究对象的两个问题：是什么？怎么样？ 研究光的本质，必须从其现象开始，而其现象，则表现在光与物质的相互作用中。光与 不同材质、不同尺度的物体相互作用时，表现出不同的特性。因而，在不同的研究阶段，人 们对光的认识也是不同的。 在物理学中，人们要建立一门学科，总要先定义概念，即物理概念。物理概念是对某种 物质或现象的本质的描述和概括。反映了人们对事物认识的程度，因而在不同的阶段，同一 概念所包含的内容是不同的。 为了使物理概念形象化，人们往往建立物理模型来反映事物。例如，分子、原子、电子 都是模型，电磁波也是模型。宏观物体运动可以用质点运动模型来描述，微观粒子的运动可 以用量子模型描述。由于概念不断变化，反映概念的模型也不断改进更新。对于光的认识， 也是这样的一个过程。光与不同物质相互作用时，表现出不同的特性，所以可以用不同的物 理模型来描述光。 3
崔宏滨光学绪论 1.光的宏观表现 在均匀媒质中,光的传播路径是直线。得出光的直线传播定律。 与镜面(反射面)作用,发现反射角=入射角,即反射定律。由此制作各种平面镜、凸 面镜、凹面镜。 在不同的透光媒质的界面处,发现折射定律,由此制作各种透镜。 从以上几个方面总结出光的传播、反射和折射定律,由此构成几何光学。几何光学中最 基本的概念是光线,即光是由一束束的光线组成。对于光的本质,虽有 Newton的微粒说和 Huy gens的波动说,但都缺少实验依据。因而,尽管尝试测量光的传播速度,但无法从理论 上说明光是如何传播的。即无法从理论上导出光速的概念 《墨经》,成书于公元前4~3世纪,其中已有对于小孔成象的描述,亦有关于镜面反射 文字,其中已包含了光线及其沿直线传播思想。但由于没有对光的本质进行深入的思考,里 面并没有物理学的思想。这是中国传统文化的一大缺憾。 《光学》,前3~2世纪, Euclid著,已指出光在平面上反射时,入射角等于反射角。其 后研究了光的折射等成像规律,并制成各种光学元件 1672年, Newton分光实验,白光中包含不同颜色的光 1678年, Huygens提出波动说。 1704年, Newton提出微粒说 以上为几何光学时期 在这一时期人们做了大量研究,试图知道光是什么。代表性的观点有 Newton的微粒说 和 Huygens的波动说 Newton在1672年成功地进行了分光实验,一束白光经三棱镜折射后,不同颜色的光沿 不同角度出射,形成彩色光带。1704年 Newton在其《光学》一书中提出微粒说,人为光是 由一个个粒子组成的,每个粒子可看做一个质点,遵守质点运动的规律 而 Huy gens在1678年所出版的《论光》中提出了波动说。人为光以波的形式存在和传 播,遵循波动的规律。 微粒说和波动说都能解释几何光学的一些现象,但由于缺少有力的实验依据,都不能彻 底否定对方。 在这一时期,许多人试图测量光速,事件排列如下 1607年,伽利略( Galieo) 1676年,罗默(O. Romer),天文学方法,c=215,00km/s 1849年,斐索( Fizeau),在实验室中,用齿轮法,c=315,000km/s 1851年,弗科( Foucault),用旋转棱镜法,298000-500km/s,且发现在水中光的传播 速度比真空(空气)中低。 2.光与小尺度物体的作用 801年,T. Young在光通过双孔的实验中,首次观察到了与水波的干涉现象相似的光 的干涉现象,光经过双孔后,由于干涉,光能量在空间重新分布。这一实验称为杨氏干涉。 杨氏干涉明了光的波动性
崔宏滨 光学 绪论 1. 光的宏观表现 在均匀媒质中，光的传播路径是直线。得出光的直线传播定律。 与镜面（反射面）作用，发现反射角=入射角，即反射定律。由此制作各种平面镜、凸 面镜、凹面镜。 在不同的透光媒质的界面处，发现折射定律，由此制作各种透镜。 从以上几个方面总结出光的传播、反射和折射定律，由此构成几何光学。几何光学中最 基本的概念是光线，即光是由一束束的光线组成。对于光的本质，虽有 Newton 的微粒说和 Huygens 的波动说，但都缺少实验依据。因而，尽管尝试测量光的传播速度，但无法从理论 上说明光是如何传播的。即无法从理论上导出光速的概念。 《墨经》，成书于公元前 4~3 世纪，其中已有对于小孔成象的描述，亦有关于镜面反射 文字，其中已包含了光线及其沿直线传播思想。但由于没有对光的本质进行深入的思考，里 面并没有物理学的思想。这是中国传统文化的一大缺憾。 《光学》，前 3~2 世纪，Euclid 著，已指出光在平面上反射时，入射角等于反射角。其 后研究了光的折射等成像规律，并制成各种光学元件。 1672 年，Newton 分光实验，白光中包含不同颜色的光。 1678 年，Huygens 提出波动说。 1704 年，Newton 提出微粒说。 以上为几何光学时期。 在这一时期人们做了大量研究，试图知道光是什么。代表性的观点有 Newton 的微粒说 和 Huygens 的波动说。 Newton 在 1672 年成功地进行了分光实验，一束白光经三棱镜折射后，不同颜色的光沿 不同角度出射，形成彩色光带。1704 年 Newton 在其《光学》一书中提出微粒说，人为光是 由一个个粒子组成的，每个粒子可看做一个质点，遵守质点运动的规律。 而 Huygens 在 1678 年所出版的《论光》中提出了波动说。人为光以波的形式存在和传 播，遵循波动的规律。 微粒说和波动说都能解释几何光学的一些现象，但由于缺少有力的实验依据，都不能彻 底否定对方。 在这一时期，许多人试图测量光速，事件排列如下： 1607 年，伽利略（Galieo） 1676 年，罗默（O.Romer），天文学方法,c=215,000km/s 。 1849 年，斐索（Fizeau），在实验室中，用齿轮法，c=315,000km/s 。 1851 年，弗科（Foucault)，用旋转棱镜法，298,000 + 500km/s,且发现在水中光的传播 速度比真空（空气）中低。 2. 光与小尺度物体的作用 1801 年，T．Young 在光通过双孔的实验中，首次观察到了与水波的干涉现象相似的光 的干涉现象，光经过双孔后，由于干涉，光能量在空间重新分布。这一实验称为杨氏干涉。 杨氏干涉明了光的波动性。 4
崔宏滨光学绪论 后来人们又观察到了光的衍射及偏振现象(1808年,马吕( Malus)偏振),由此建立 了波动光学 1865年, Maxwell提出光的电磁波理论,后来被证实光是电磁波 光波长的范围: 紫外光 可见光 红外光 nmr------4 400nm-- 760nm- 对红外光, m-10-1 nm 近红外中红外远红外 3.在原子尺度上的表现 由黑体辐射导致的“紫外灾难”,在1900年由 Plank用量子假设解决。 1905年, Einstein用量子假设成功解释光电效应。 量子性质:波粒二象性 切量子现象的基本属性。 波:几率波,用数学上的波动方程描述其几率。 粒:分立的能量子,E=hv 这里的波动性与粒子性与几何光学时期的波动性和粒子性是根本不同的。 四.光学在各个发展时期的成就 几何光学时期:各种面镜和透镜组成的助视仪器 波动光学时期:各种光学量具、光学开关。 全息光学:各种成像和信息手段。 量子光学:光电转换装置,激光
崔宏滨 光学 绪论 后来人们又观察到了光的衍射及偏振现象（1808 年，马吕（Malus）偏振），由此建立 了波动光学。 1865 年，Maxwell 提出光的电磁波理论，后来被证实光是电磁波。 光波长的范围： 紫外光 可见光 红外光 5nm--------400nm--------760nm--------10 nm −1 对红外光， 1 µ m--------------10 µ m------------10 nm −1 近红外 中红外 远红外 3. 在原子尺度上的表现 由黑体辐射导致的“紫外灾难”，在 1900 年由 Plank 用量子假设解决。 1905 年，Einstein 用量子假设成功解释光电效应。 量子性质：波粒二象性——一切量子现象的基本属性。 波：几率波，用数学上的波动方程描述其几率。 粒：分立的能量子，E=hν 这里的波动性与粒子性与几何光学时期的波动性和粒子性是根本不同的。 四．光学在各个发展时期的成就 几何光学时期：各种面镜和透镜组成的助视仪器。 波动光学时期：各种光学量具、光学开关。 全息光学：各种成像和信息手段。 量子光学：光电转换装置，激光。 5