光學課件第一章光的干涉第一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日5.幾何光學的基本原理2.光的干涉3.光的衍射6.光學儀器的基本原理8.光的量子性1.緒論4.光的偏振7.光的吸收、散射和色散第二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日緒論1.光學：是普通物理學的一個重要組成部分，是研究光的本性、光的傳播和光與物質相互作用的基礎學科。2.光學研究內容：光的發射、傳播和接收等規律光和物質的相互作用（如：光的吸收、散射和色散、光電效應等）光的本性第三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日4

基礎光學內容的大致分類1幾何光學（光的直線傳播原理、反射、折射、儀器）

2波動光學（干涉、衍射、偏振）

3量子光學（黑體輻射、光電效應、康普頓效應）

4現代光學（激光、非線性光學、全息、傅里葉光學）第四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日光學的發展簡史光學的發展大致可分為五個時期

1、萌芽時期：公元前500年——1550年前后2、幾何光學時期：1550年前后——1660年前后3、波動光學時期：1650年前后——1888年前后4、量子光學時期：1887年——1925年前后5、現代光學時期：1935年——5

第五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日6第六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日

墨子對光學很有研究，對于光的直線傳播、光的反射和若干物影成像，進行了精彩的描述。

有一次，墨子進行光學實驗，他在堂屋朝陽的地方，讓一個人對著小孔站在屋外，在陽光的照射下，屋內相對的墻上出現倒立人像。墨子通過小孔成像的光學實驗，闡述了光的直線傳播原理，成為后代攝影技術的先聲。

萌芽時期：二、光學發展歷史回顧7第七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日

古希臘，數學家歐幾里德（公元前330年——前275年）：《光學》“平面鏡成像——反射定律”，“光是類似觸須的投射”。

克萊門德(Cleomedes)，托勒密(C.Ptolemy,90—168年）：“折射現象——入射角與折射角的測定”。

埃及，阿爾哈曾(Alhazen,965—1038）：“光線來自所觀察的物體，光以球面形式從光源發出，反射面與入射面共面且垂直于界面”，“球面鏡和拋物面”，“人眼構造”，“凸透鏡的發明和實驗”。萌芽時期：公元前500年——1550年前后光學

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第八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日9

中國宋代，沈括（1031—1095年）：《夢溪筆談》有“豐富的幾何光學知識，凹面鏡和凸面鏡的成像規律，測定凹面鏡的焦點的原理，虹的成因······”。

英國，培根（R.Bacon,1214—1294年）：提出用透鏡校正視力，采用透鏡組構成望遠鏡的可能性，透鏡焦點的位置。

阿瑪蒂(Armati)：發明眼鏡。

波特（G.B.D.Porta，（1535—1615年）：暗箱成像（相機雛形），1589年《自然魔法》復合面鏡以及凸透鏡和凸透鏡的組合。萌芽時期：公元前500年——1550年前后光學

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光學萌芽時期的特點：

從觀察到的簡單的光學現象中概括出簡單幾何光學的規律，一些簡單的光學儀器的設計和設想以及應用。萌芽時期：公元前500年——1550年前后光學

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“萌芽時期”也是“幾何光學”發展的一部分。而這里的幾何光學時期是指“反射定律”和“折射定律”的建立，還有“光路可逆原理”和“費馬原理”等。

荷蘭，李普塞（H.Lippershey，1587—1619年）：1608年發明了第一架望遠鏡。

延森（Z.Janssen，1588—1632年）和馮特納（P.Fontana,1580—1656年）：制造出復合顯微鏡。幾何光學時期：1550年前后——1660年前后

光學

第十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日12

伽利略（Galilei，1564—1642年）：1610年用自己制作的望遠鏡觀察星體，發現木星有衛星。

開普勒（J.Kepler，1571—1630年）：1611年發表《折光學》一著作。提出距離的平方反比的照度定律，設計出開普勒望遠鏡，小角度的入射角與折射角的正比關系。

斯涅爾（W.Snell，1591—1626年）：1621年指出，入射角的余割和折射角的余割之比是一常數。

笛卡爾（R.Descartes，1596—1650年）：約于1630年給出光的折射定律（《折光學》1637年出版），給出了正弦函數表述的折射定律。幾何光學時期：1550年前后——1660年前后

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第十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日13

費馬（P.deFermat，1601—1665年）：1657年指出光在介質中傳播時所走的光程取極值（穩定值）的原理。

幾何光學時期的特點：有明確的光的傳播的理論闡述，在理論和經驗的指導下有較為復雜的光學儀器的設計和設想以及應用。基于幾何光學原理的光學儀器的設計和制造及應用（相機鏡頭）至今未停止過。幾何光學時期：1550年前后——1660年前后

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第十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日費馬原理示意圖第十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日15

意大利人格里馬第（F.M.Grimaldil，1618—1663年）在17世紀初首先觀察到衍射現象：點光源照明時，直竿的影子要比假設光沿直線傳播時所應有的影子要稍大一些—“光繞到直線影子后面去了”。

胡克（R.Hooke，1635—1703年）：于1672—1675年也觀察到幾何陰影區內有光的存在——光的衍射現象。還研究了薄膜所產生的彩色干涉條紋——牛頓環。（波意爾（R.Boyle，1627——1691年）也研究了此現象。

牛頓（I.Newton，1642—1727年）：1666年發現白光通過三棱鏡后分解成各種顏色，每一種顏色可用折射率來標志。波動光學時期：1650年前后——1888年前后光學

第十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日英國牛頓,1704年，《光學》一書出版。隨著天文學、力學和光學的出現，物理學在十八世紀開始成為科學.牛頓則持光的微粒說，他認為波動說的最大障礙是不能解釋光的直線進行。他提出發光物體發射出以直線運動的微粒子、微粒子流沖擊視網膜就引起視覺。它也能解釋光的折射與反射，甚至經過修改也能解釋F.M.格里馬爾迪發現的“衍射”現象。16第十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日惠更斯在1690年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基礎上，他推倒出了光的反射和折射定律，圓滿的解釋了光速在光密介質中減小的原因，同時還解釋了光進入冰洲石所產生的雙折射現象，認為這是由于冰洲石分子微粒為橢圓形所致。胡克是光的波動說支持者。1665年，胡克提出了光的波動說，他認為光的傳播與水波的傳播相似。1672年胡克進一步提出光波是橫波的概念。

波動光學楊氏（T.Young1773-1829)楊氏干涉實驗為波動光學的復興作出了開創性的工作。用干涉原理解釋牛頓環的成因和薄膜的彩色，并第一個近似地測定了七種顏色的光的波長，從而完全確認了光的周期性，為光的波動理論找到了又一個強有力的證據。菲涅耳(1788～1827)

菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理為基礎，用新的定量形式建立了以他們的姓氏命名的惠更斯－菲涅耳原理。解釋了衍射現象，完成了光的波動說的全部理論17第十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日法拉第(1817-1867)

法拉第1845年發現了光的振動面在強磁聲中的旋轉，從而揭示了光學現象和電磁現象的內在聯系。

麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學大成的偉大科學家，建立了第一個完整的電磁理論體系，不僅科學地預言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現象的本質的統一性，完成了物理學的一次大綜合。麥克斯韋(1831-1879)對于光波的進一步認識—電磁波：赫茲用實驗證實了電磁波的存在，赫茲先求出振蕩器的頻率，又以檢波器量得駐波的波長，二者乘積即電磁波的傳播速度。正如麥克斯韋預測的一樣，電磁波傳播的速度等于光速。1889年在一次著名的演說中，赫茲明確的指出，光是一種電磁現象。光電效應赫茲(1857-1894)

第十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日19

波動光學發展的特點：經歷的時間比較長，過程較艱難曲折，仍然是理論與實踐實驗相結合相互驗證和解釋中發展。只有在1867年麥克斯韋電磁理論建立和電磁波預言之后，波動理論才完善和普遍被人們接受。波動光學時期：1650年前后——1888年前后光學

第十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日17世紀明確形成了兩大對立學說牛頓惠更斯微粒說波動說由于波動說沒有數學基礎以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風19世紀初證明了波動說的正確性這里的光子完全不同于牛頓所說的“微粒”19世紀末光電效應現象使得愛因斯坦在20世紀初提出了光子說：光具有粒子性光的本性（量子力學史話——上帝擲骰子嗎？）第二十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日光的微粒說：光是沿直線高速傳播的粒子流。

牛頓支持微粒說。人們都認為牛頓是微粒說的代表。牛頓于1675年曾提出：“光是一群難以想象的細微而迅速運動的大小不同的粒子”，這些粒子被發光體“一個接一個地發射出來”。

易解釋：光的直進性、影的形成、光的反射和折射等現象。

難解釋：（1）一束光入射到兩種介質界面時，既有反射，又有折射。何種情況發生反射，何種情況下又發生折射呢?微粒說在解釋這一點時遇到了很大的困難。（2）兩束光相遇后，為何仍能沿原方向傳播這一常見的現象，微粒說則完全無能為力了。第二十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日光的波動說：某種振動，以波的形式向四周圍傳播。代表人物：是荷蘭的物理學家惠更斯。易解釋：（1）光的反射、折射、光的反射和折射可以同時發生。（2）兩束光相遇后，為何仍能沿原方向傳播這一常見的現象。難解釋：光的直進性和影的形成。第二十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日量子光學薛定諤

ErwinSchr?dinger

1887-1961海森伯

WernerKarlHeisenberg

1901-1976

尼爾斯·玻爾

NielsBohr

1885-1962普朗克

MaxKarlErnstLudwigPlanck

1858-1947愛因斯坦(1879-1955)24第二十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日25

德布羅意（L.V.deBroglie，1892—1987年）：1924年提出物質波的學說。為1927年戴維孫（C.J.Davisson，1881—1958年）和革末（L.H.Germer，1896—1971年）所做的電子束衍射實驗所證實。博士論文

玻恩（M.Born，1882—1970年）：1925年提出的波粒二象性的概率解釋建立了波動性和微粒性之間的聯系——光和一切粒子都具有波粒地象性。量子光學時期：1887年——1925年前后光學

第二十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日2認識3認識

光既有波動性也有粒子性，即具有波粒二象性。普朗克常數非常小，一個光子的能量也非常小。一般情況下我們遇到極大數量的光子，明顯表現波動性。在光極其弱的情況下，以及光和物質相互作用的某些特殊情況下，其量子特性才會明顯地表現出來。從量子觀點看，光場是由一個個光子組成。光子是光的最小單位，每個光子的能量和它的頻率之間的關系為式中是普朗克常數，其數值為光子也具有動量，它的方向為光子的運動方向（即光傳播方向）其值為式中c為真空中的光速，1983年第十七屆國際計量大會通過其值為c=

299792458m/s基于所采用的物理模型不同,光學可分為幾何光學和物理光學（波動光學，量子光學）波動光學是主體26第二十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日現代光學時期２０世紀中，光學本身發生了極為深刻的演變，光學領域中發生了三件大事：１９４８年出現了全息術。

１９５５年第一次提出用光學傳遞函數來評價光學系統成象質量的概念。這些概念后來又發展成為信息光學。１９６０年誕生了新光源—激光器。

這三件大事成為經典光學向現代光學過度的標志。第二十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日4.光學分類：光學幾何光學：利用幾何原理，研究光線方向的變化物理光學波動光學：研究光的波動性，包括對光的干涉、衍射和偏振現象的研究。量子光學：研究光的粒子性，包括對黑體幅射、光電效應、康普頓效應的研究。第二十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日第一章光的干涉第二十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日1.1 光的電磁理論一、光波是電磁波的一種（某一特定波段的電磁波）1、電磁波的性質：（1）電磁波的電場和磁場都垂直于波的傳播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。ZXY第三十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日（2）沿給定方向傳播的電磁波，E和H分別在各自平面內振動，這種特性稱為偏振。（3）E和H都在作周期性的變化，而且位相相同，即同時同地達到最大，同時同地減到最小。（4）任一時刻，在空間任一點，E和H在量值上的關系為。ZXY第三十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日

由于εr和μr與電磁波的頻率有關，因此在介質中不同頻率的電磁波有不同的傳播速度，這就是電磁波在介質中的色散現象。(5)電磁波的傳播速度第三十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日比較（3）和（4）式，有2、光與電磁波的聯系：

…...(1)又知透明介質中光的傳播速度u=c/n…...(4)公式將光波與電磁波聯系起來了！！介質中電磁波的波速由（1）、（2）式可看出……(3)真空中的波速……(2)第三十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日玻印廷矢量:二電磁波的能量與光強（1）定義：波動的傳播總是伴隨著能量的傳遞，該過程一般用平均能流密度表示。（2）能流密度：指單位時間內通過與波的傳播方向垂直的單位面積的能量或表示為單位面積的功率。電磁波中E⊥H，第三十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日因此能流密度的瞬時值為因為故第三十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日

我們檢測光波的存在和強弱，是通過光和物質的相互作用．但是，任何檢測器件都有一定的響應時間，都不能檢測電磁波能流密度的瞬時值，只能檢測其在響應時間內的平均值．可見光振動周期T~10-14秒，人眼響應時間~10-1秒，靈敏的光檢測器響應時間~10-9秒．第三十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日因此我們定義光的強度（簡稱光強）為平均能流密度．代入上式得第三十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日不同介質中兩光波相比較，由于許多場合下，我們只討論光強的相對分布，因此令光強等于振幅的平方，即上式定義的光強稱為相對光強．同一種介質中兩光波強度相比較，

結論：波的強度與振幅的平方成正比。第三十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日三、驗證光是電磁波的實驗：干涉、衍射—波偏振—橫波。測光速—第三十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日電磁波譜:宇宙射線射線x射線微波短波中`波長波對數坐標對數坐標軟x射線真空紫外線紫外光可見光近紅外光中紅外光遠紅外光線性坐標系紫靛藍綠黃橙紅光波第四十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日(400—700)nm的窄小范圍．各種波長的電磁波中，能為人所感受的是這波段內電磁波叫可見光，在可見光范圍內，不同頻率的光波引起人眼不同的顏色感覺．對應的頻率范圍是

=（7.64.0）1014HZ

．760630600570500450430400(nm)

紅橙黃綠青藍紫

第四十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日任何頻率的光在真空中的傳播速度都相同。

具有一定頻率的光叫單色光，不同頻率合成的光叫復色光。第四十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日1.2光的干涉原理1.定義:滿足一定條件的兩束光發生重疊,在重疊區形成穩定的明暗相間的或彩色的條紋,這種現象叫光的干涉.2.標志:穩定的干涉花樣的存在。第四十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日r1r2S1S2Sp第四十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日1.2光的干涉原理1.2.1光波的干涉和相干條件第四十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日當兩列波同時到達空間另一定點P時，P點的振動表示為：振源的振動表達式：(1.9)(1.10)第四十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日兩波在P點相遇后，在任意時刻的相位差為:（1.11）光程：折射率和路程的乘積，用表示光程差：決定的兩個因素:初始位相差和光程差。K：波數第四十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日合振幅光強干涉項即若而干涉項與位相差有關。合振幅振幅最大,稱相干相長.第四十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日光強若則若合振幅最小,稱相干相消.若則第四十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日若等于其它值在之間變化.第五十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日合振動光強隨位相差改變按余弦規律變化,光強曲線如圖：02相干迭加與非相干迭加相干迭加:有干涉項效應光強決定于按余弦規律變化.第五十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日非相干迭加:無干涉項效應,合光強決定于,分光強直接相加:

非相干迭加的干涉相如何消失的呢?遠大于振動周期),我們實際觀察到的光強總是在較長時間內的平均強度(非瞬時值).在某一時間間隔內(合振動平均強度第五十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日

若恒定,則有干涉項效應若不恒定,則干涉項效應消失第五十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日三相干條件

條件:(1)相遇點位相差恒定(不隨時間變化).或(a)兩波頻率相同.(b)初位相差恒定.(2)振動方向一致或有平行分量第五十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日1.3由單色波迭加形成的干涉花樣第五十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日一、位相差與光程差:nS1S2若兩相干光波在介質中傳播p第五十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日S1S2

傳到P點的光振動的相位差：若其中光程:光程=折射率幾何路程=nr第五十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日二干涉花樣的形狀研究花樣的形狀,歸根到底是尋求亮暗點的集合(軌跡).1亮點條件:位相差為的偶數倍j稱為干涉級真空或空氣中光程差為波長的整數倍或半波長的偶數倍第五十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日2暗點條件位相差為的奇數倍即光程為半波長的奇數倍強度相同的點的軌跡:常量滿足上述方程的點的軌跡是以為軸的雙葉旋轉雙曲面第五十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日第六十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日SS1S2X0L或由幾何關系，如圖作輔助線,兩光波在P點的光程差：相位差：3、明（暗）條紋的距離第六十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日（b）當即時，光強取得極小值：所以明條紋中心滿足明條紋中心坐標：因第六十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日暗條紋的中心坐標：屏幕上相鄰兩個明條紋（或暗條紋）中心之間線距離，稱為條紋間距.

對明條紋中心坐標微分：

條紋間距：暗條紋中心滿足：第六十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日條紋間距公式：屏幕上的條紋間距與波長成正比，與L成正比，與雙縫間距d成反比．、L、d變化時，零級條紋中心的位置不變．結論：（a）（c）=常數（b）各級亮條紋的光強相等，相鄰亮（暗）條紋都是等間隔的，與干涉級無關。第六十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日-1級暗紋2級暗紋1級暗紋-2級暗紋1級明紋0級明紋-1級明紋2級明紋-2級明紋d）對應不同的j值，將有一對明或暗紋出現在中央明紋兩側。e）要清晰觀察到條紋，波長一定，d必須小到與波長相比擬，且使L〉〉df）干涉花樣的強度記錄了相位差的信息。第六十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日1.4獲得相干光源的方法第六十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日普通光源與機械波源有本質區別:機械波源:獨立振源的振動在觀察時間內.持續進行,不發生中斷現象,因而它們之間的位相關系能保持不變.獨立振源一般都是相干的,機械波干涉通常是比較容易實現的.普通光源(非激光光源):觀察不到相干現象.E2E1第六十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日一、普通光源發光的特點：在同一時間有大批原子發光；就單個原子而言，每個原子都是斷斷續續發光，每次發光時間極短（~10-8s）且一次只能發出一個有限長具有偏振性的的波列。同一原子先后發出的光及同一瞬間不同原子發出的光的頻率、振動方向、初相位、發光的時間均是隨機的。tt第六十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日結論：一般而言熱光源及普通光源發出的光為非相干光。且同一光源上不同點發出的光也

是非相干光。若要產生干涉須將非相干光變為相干光。激光光源為相干光源。將非相干光變為相干光的原則是：“同出一源，分之為二”第六十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日r1r2S1S2S縱截面圖屏雙孔單縫二、相干光的獲得原則：‘同出一源，分之為二’楊氏干涉1分波陣面法2分振幅｛第七十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日光強分布曲線-4-3-2-0234

第七十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期日上面討論的是一個原子發光的情況．實際上，光源中有許許多多的原子發光．不同原子所發的光波是不相干的．但是，若用單色點光源，對于每一個原子，，L,d都相同，因此產生的干涉條紋具有相同的寬度，相同級次在相同的位置．不同原子的干涉條紋不相干的重疊在一起．它們明紋和明紋相重，暗紋和暗紋相重，使得條紋更加清晰可見．若將小孔改為狹縫，除了明條紋更加明亮外，條紋會在縫寬方向上展寬．在、L、d不變的情況下，條