1、光學與原子物理任希鋒光學與光學工程系中科院量子信息實驗室辦公室：量子信息樓303 Tel： 3600644Email： 助教 黃少茹老師 徐滕老師光學第零章 緒論第一章 幾何光學第二章 光的波動模型第三章 光的干涉第四章 光的衍射第五章 光的電磁性第零章 緒論 學習光學的重要性； 光學講什么？ 光是什么？學習光學的重要性 光(陽光)是生命的源泉。 光是人類認識世界的主要橋梁。人類感官得到的外界信息中，至少90%通過眼睛。 光現(xiàn)象是物理理論的主要發(fā)源地。 光學應用科學迅猛發(fā)展。 現(xiàn)代光學是科學前沿的重要領(lǐng)域。光學的內(nèi)容與分類 什么是光學光學研究光的本性，光的產(chǎn)生、傳播、光與物質(zhì)相互作用以及光在科

2、技中應用的科學。 光學的內(nèi)容1. 幾何光學：以光的直線傳播、反射、折射三大實驗定律為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播與成像的規(guī)律2. 波動光學：以Maxwell電磁理論為基礎(chǔ)，研究光的波動性、電磁性(主要在宏觀傳播方面)3. 量子光學：以光的量子理論為基礎(chǔ)，描述光的粒子性(主要表現(xiàn)在發(fā)光機制及光與物質(zhì)的相互作用方面) 波動光學，量子光學統(tǒng)稱物理光學，描述光的本性！ 當光場(光波傳播到的整個區(qū)域)的特征量(能量密度、光強度)h時， 量子效應不明顯波動光學！ 傳播過程中障礙物線度遠遠大于波長幾何光學 光與物質(zhì)相互作用時(一個光子與一個原子作用)量子光學光學的分類1. 光的機械微粒說與初期波動說的斗爭

3、微粒說：光是粒子流(滿足力學規(guī)律)代表人物：Descartes, Newton起因:光的直線傳播-易用自由粒子解釋；光能在真空中傳播-機械波需要介質(zhì)；牛頓的權(quán)威(機械論的觀念)光是什么？微粒說對直進、反射、折射的解釋:反射：彈性碰撞折射：微粒受界面法向力的作用存在問題：(1)不能解釋當時已發(fā)現(xiàn)的干涉現(xiàn)象(牛頓環(huán))(2)得出光密介質(zhì)光速大的錯誤結(jié)論波動說：光是一種波動現(xiàn)象代表人物：Hooke, Huygens理論觀點：光是以太中的振動的傳播，以太中每一點可看成次波源起因:二列波的獨立傳播現(xiàn)象;發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)現(xiàn)象(Hooke發(fā)現(xiàn)，象水波)；Grimalde發(fā)現(xiàn)衍射現(xiàn)象Huygens解釋折射：(Huyg

4、ens原理)缺點：不完善，不能解釋光的直進，也不能解釋衍射！重新興起：1801年楊氏(T. Young)雙縫干涉實驗1802年楊用波相干疊加思想解釋雙縫實驗1808年馬呂斯發(fā)現(xiàn)光的偏振給機械粒子說致命打擊的兩個實驗：小圓盤衍射水中光速的測定這時期的主要物理思想是：Young對干涉的解釋和Fresnel對衍射的解釋惠-菲原理！2. 波動說的初步確立19世紀電磁學迅速發(fā)展，最后麥克斯韋把電磁學規(guī)律總結(jié)為四個方程，建立了完整的電磁理論體系。 麥克斯韋斷言，光波=電磁波！后來，赫茲(H. Hertz)用實驗證實了電磁波的存在，并發(fā)現(xiàn)電磁波也有反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。以后一個時期，經(jīng)典光學以麥氏電

5、磁理論為基礎(chǔ)，解釋了所有關(guān)于光的傳播現(xiàn)象(干涉、衍射、偏振、雙折射等等)，使經(jīng)典光學達到相當完美的地步。3. 光由類機械波向光是電磁波的轉(zhuǎn)變以太的否定，電磁波是物質(zhì)波 當波動說確定后，人們初認為光是以太中傳播的類彈性波；但根據(jù)機械彈性理論研究以太，發(fā)現(xiàn)以太有許多難以想象的性質(zhì)。最根本的：若有以太存在，就有以太絕對靜止系，可以測到以太相對地球的速度。這被實驗證偽。Einstein否定以太。電磁波不需要介質(zhì)。電磁波是物質(zhì)波。1900年，普朗克發(fā)現(xiàn)了黑體輻射公式，并提出了“能量子假說”：物質(zhì)在發(fā)光時是一份份輻射的1905年，愛因斯坦為解釋光電效應，提出“光量子假說”：光是光子流(不但在輻射時是一份份

6、的，在傳播、吸收時也是一份份的)康普頓散射：光子與電子作用時滿足動量守恒與能量守恒4. 光的本性具有波粒二象性思想的確立至此，人們不得不承認，一方面光在宏觀傳播時表現(xiàn)出波動性，另一方面，在光與物質(zhì)相互作用時，發(fā)生能、動量交換時光有充分顯示出量子化(粒子性)的特征。1924年前后，德布羅意受光的波粒二象性啟發(fā)，提出微觀粒子也具有波粒二象性的大膽假設(shè)，導致量子力學誕生(微觀粒子的波動力學)，后被電子衍射、中子衍射所證實。5.對量子理論的影響后來海森堡、玻爾、波恩、薛定諤、狄拉克等人創(chuàng)立和發(fā)展了量子力學20世紀20-30年代，狄拉克、費米等人又在量子力學基礎(chǔ)上創(chuàng)立了“相對論量子力學”、“量子場論”、“量子電動力學”，描述基本粒子之間、光子與帶電粒子之間的相互作用。從現(xiàn)象上看 傳播現(xiàn)象主要表現(xiàn)出波動性，出現(xiàn)干涉、衍射、偏振等，規(guī)律完全由麥克斯韋電磁理論描述。 光場與物質(zhì)相互作用(包括發(fā)光)主要表現(xiàn)出粒子性，規(guī)律由量子光學描述。本質(zhì)上 光的動力學行為(光與粒子的相互作用)能、動量交換是量子化的，局域的，一次性的，在此意義上，光是光子流。 為何仍可講光是電磁波？光的波粒二象性的簡單理解單個光子的運動學的統(tǒng)計規(guī)律由電磁理論描述。光很弱時，光子一個一個被探測到，不可能半個光子(粒子性);少量時，無規(guī)律，大量光子時，出現(xiàn)干涉條紋亮度大則光子出