普通高等教育“十五”国家级规划教材 光学 教案 绪 论 赵建林 编著 高等教育出版社 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社

目 录 绪 论 1. 光学的研究对象、地位和特点 2. 光的本性 3. 现代光学的主要标志 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 绪 论 目 录 1. 光学的研究对象、地位和特点 2. 光的本性 3. 现代光学的主要标志 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 5. 光学课程的学习方法

1. 光学的研究对象、地位和特点 绪 论 光是一种重要的自然现象 光学是物理学的一个重要分支 光学学科是一门应用性极强的基础学科 绪 论 1. 光学的研究对象、地位和特点 光是一种重要的自然现象 光学是物理学的一个重要分支 光学学科是一门应用性极强的基础学科 光学的研究对象：光的本性以及光的发射、传播、接收、光与物质相互作用等方面的规律

绪 论 1. 光学的研究对象、地位和特点 基础光学：几何光学，物理光学（波动光学+量子光学） 绪 论 1. 光学的研究对象、地位和特点 基础光学：几何光学，物理光学（波动光学+量子光学） 几何光学：以光的直线传播性质为基础，研究光线在透明介质中的传播问题 波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播、光和物质的相互作用规律 量子光学：以光的量子性为基础，研究光的发射以及光与物质相互作用的某些问题 基础光学课程主要讨论内容：光学的基本原理及典型应用 基础光学课程重点：光学成像、干涉、衍射、偏振、双折射等基本规律

2. 光的本性 绪 论 (1) 古代元气说（公元前400多年的《墨经》） (2) 牛顿（I. Newton）的微粒说（17世纪） 绪 论 2. 光的本性 (1) 古代元气说（公元前400多年的《墨经》） 光，即火。火属五行之一，五行生于元气，故光生于元气。发光谓之吐气，受光谓之含气。 (2) 牛顿（I. Newton）的微粒说（17世纪） 光是一种高速运动着的微粒流。 微粒说能够很好地解释光在均匀介质中的直线传播以及在两种介质分界面上的反射规律，但在解释折射现象时，会得出与实际情况相反的结果——光在密介质中的速度应大于疏介质中的，并且微粒说也不能解释光的干涉、衍射和偏振等现象。

绪 论 2. 光的本性 (3) 惠更斯（C. Huygens）的波动说 (4) 杨氏（T. Young）双孔干涉实验与波动说的重新兴起 绪 论 2. 光的本性 (3) 惠更斯（C. Huygens）的波动说 光是在充满整个空间的特殊介质“以太”中传播的某种弹性波，因此服从波动的传播规律——惠更斯原理。 利用惠更斯原理不仅能够正确解释光的直线传播和反射定律，也能够正确解释光的折射定律及双折射现象。 (4) 杨氏（T. Young）双孔干涉实验与波动说的重新兴起 分别通过两个小孔的两束光在屏幕上的重叠区域内形成一组明暗相间的条纹。包含了光波波长的概念，并初步测定出了光波波长的大小。 (5) 菲涅耳（A. J. Fresnel）对光的波动说的贡献 设计了双平面镜和双棱镜干涉实验，进一步证实了杨氏关于双孔干涉现象解释的正确性；发现并解释了菲涅耳衍射；总结出了菲涅耳公式及菲涅耳方程。

绪 论 (6) 麦克斯韦电磁理论（19世纪60年代初） 2. 光的本性 麦克斯韦（J. C. Maxwell）的贡献： 电磁波的实验证实： 绪 论 2. 光的本性 (6) 麦克斯韦电磁理论（19世纪60年代初） 麦克斯韦（J. C. Maxwell）的贡献： 得出了著名的麦克斯韦方程组，预言出电磁波的存在，并且推算出电磁波在真空中的传播速度与测量到的光速值极为接近，进一步预言光是一种电磁波动，诞生了光的电磁理论。 电磁波的实验证实： 赫兹（H. R. Hertz）通过一系列实验于1888年证实了电磁波的存在。

绪 论 2. 光的本性 麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是通过“以太”传播的。 绪 论 2. 光的本性 麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是通过“以太”传播的。 为寻找“以太”介质，迈克耳孙（A. A. Michelson）和莫雷（E. W. Moley）于1887年设计出一台精密的干涉仪，试图以此观察地球相对“以太”的运动。 结论：通过任何实验都不可能观察到地球相对于以太运动的任何效应。 1905年，爱因斯坦（A. Einstein）发表了著名的狭义相对论，彻底否定了“以太”的存在；同时还假设，光在真空中始终是以恒定的速度传播，与光源或观察者的运动状态无关。

绪 论 2. 光的本性 (7) 电磁波动说的困境 (8) 量子论的提出 (9) 光的本性的再认识 绪 论 2. 光的本性 (7) 电磁波动说的困境 对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用何种假设，只要是以电磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。 (8) 量子论的提出 普朗克（M. Planck）的黑体辐射公式 爱因斯坦的光电效应方程 “光子（photon）”概念的提出 (9) 光的本性的再认识 激光与新效应 光是一种特殊的客体，具有波粒二象性

3. 现代光学的主要标志 绪 论 传统光学的研究对象： 现代光学的重要标志： 绪 论 3. 现代光学的主要标志 传统光学的研究对象： 以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪、照相机等为代表的各种光学仪器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的应用 现代光学的重要标志： 激光技术，信息光学，非线性光学，导波光学

绪 论 3. 现代光学的主要标志 (1) 激光的发明过程 绪 论 3. 现代光学的主要标志 (1) 激光的发明过程 激光名称的由来：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射激发的光放大），缩写为LASER。故最初的中文名称为音译：“镭射”、“莱塞”。1964年由钱学森教授取名为“激光”。 爱因斯坦的预言（1916）：在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，相应地会辐射出与激发它的光相同性质的光——受激辐射。在一定条件下，如果能使原子和分子的受激辐射去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，就可能获得单色性极强的辐射。

绪 论 3. 现代光学的主要标志 1950年：中学教师阿·卡斯特勒同让·布罗塞尔发明“光泵激”技术。这一发明后来被用来发射激光，并使他在1966年获得诺贝尔物理学奖。 1951年：查尔斯·汤斯（C. H. Townes）教授成功地制造出了世界上第一个“微波激射器”，即“受激辐射的微波放大器”。由于这项研究花费了大量的资金，因此这项成果被戏称为“钱泵”。 1958年：汤斯和他的学生阿瑟·肖洛（1981年获得诺贝尔物理学奖）在《物理评论》杂志上发表了他们的“发明”——关于“受激辐射的光放大”的论文。为此，汤斯于1964年获得诺贝尔物理学奖。 1960年7月：梅曼（T. H. Maiman）用汤斯的研究成果红宝石制成世界上第一台可见光的激光器。。 激光的特点：高亮度、高单色性、高方向性。 激光技术的应用领域：通信、测距、制导、信息处理、材料制备与加工、医疗、生化、光谱学、农业育种、激光武器以及激光核聚变等。

绪 论 3. 现代光学的主要标志 (2) 信息光学（光学信息处理）的形成过程 绪 论 3. 现代光学的主要标志 (2) 信息光学（光学信息处理）的形成过程 1873年：阿贝（E. Abbe）提出的显微镜成像理论，1906年：波特（A. B. Porter）完成实验验证。 1935年：策尼克（F. Zernike）提出相衬显微术，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜。 1948年：伽柏（D. Gabor）提出波前记录与再现的全息照相思想。 自20世纪50年代中：开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓的“傅里叶（Fourier）光学”。 自20世纪60年代初：激光的发明提供了高度相干光，利思（E. N. Leith）和乌帕特内克斯（J. Upatnieks）改进了全息术。

绪 论 3. 现代光学的主要标志 (3) 非线性光学的内涵 绪 论 3. 现代光学的主要标志 (3) 非线性光学的内涵 当具有一定强度的单束或多束激光通过某些光学介质时，介质的极化不仅包含光波场的一次方的作用（线性作用），而且还包含了二次、三次甚至更高次方的作用（非线性作用），并且与极化的历史，或者说极化过程有关。 首先得益于光学非线性效应的是信息光学。从这些非线性效应中，人们受到了启示，进而发现或发明了一系列可用于光学信息处理的非线性光学器件。此外，由非线性效应引出的激光光谱学，包括激光拉曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。

绪 论 3. 现代光学的主要标志 (4) 导波光学的影响 绪 论 3. 现代光学的主要标志 (4) 导波光学的影响 1966年，33岁的高锟博士首次提出，直径仅几微米的透明玻璃纤维有可能作为导光与光信号传输的有效手段。 1970年，美国康宁玻璃公司首次拉制出了第一根可实用的光纤。 光纤已成功地用于微光夜视仪、Ｘ射线光增强器、工业和医用内窥镜及安全监测系统和高灵敏度非接触测量。光纤制导已成为加强现代军事装备的关键技术之一。光纤还可以做成各种有源微型器件，如光纤激光器、光纤放大器、光纤倍频器等。

绪 论 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 光子的特性：玻色子，不带电荷，不易发生交互作用。因此光束可以在空间交叉通过而不互相影响；光子在真空中的速度为常数——光速c，不受RC时间常数的限制；光子的时空特性使之能形成前向和后向的相位共轭波，用以补偿光波在传播中的畸变和失真。 光子学是一门研究光子的产生、放大、传输、控制和探测，以及把这些技术应用于能量产生、通信、信息处理等的科学。

绪 论 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 (1) 光子学包含的分支学科 绪 论 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 (1) 光子学包含的分支学科 ① 基础理论：光物理学、激光物理学、非线性光学、激光光谱学、量子光学、电光学、声光学、集成光学、导波光学、纤维光学、全息光学、相位共轭光学等。 ② 基础技术：红外技术、激光技术、超短光脉冲技术、激光光谱技术、激光谐振腔技术、激光选模技术、激光调Q技术、激光调谐技术、激光锁模技术、激光稳频技术、变频技术、放大技术、滤波技术、外差接收技术、调制和解调技术、编码和解码技术、光纤技术、光子集成技术等。 ③ 系统技术：光通信技术、激光加工技术、激光雷达和精密测量技术、激光制导和光纤制导技术、光信息处理和光计算技术、激光全息技术、激光分离同位素和激光引发核聚变技术、光学遥感技术等。

绪 论 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 ④ 元器件、材料与工艺：激光器（气体激光器、固体激光器、自由电子激光器、半导体激光器、光纤激光器等）、发光二极管、光电探测器、光纤、光波导、光开关和光隔离器、光调制器、光存储器、光学和光纤传感器、集成光路、光电子集成回路和光子集成回路、光子材料和光电子材料以及有关生产技术等。 ⑤ 交叉应用学科：兵器光学、激光化学、激光生物学、激光医学、激光农业等。

绪 论 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 注 意 光子学绝不是这些分支的概念、知识、理论等的简单堆积，而是从更高的高度，即在光子的层次上进行的融合、贯通、统一和升华。

绪 论 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 (2) 光子学研究的特点 光子学研究的最终目的是发展光子技术。 绪 论 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 (2) 光子学研究的特点 光子学研究的最终目的是发展光子技术。 光子技术已对许多自然科学和技术科学产生深刻的影响，并将成为推动未来信息时代发展的主要动力。 光子学研究中涉及到了许多新观念和新思维，如量变与质变、线性与非线性、有序与无序、宏观与微观、有限与无限、定态与瞬态、近似与严密、变换性、逆反性、互易性、互补性、协同性等。

绪 论 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 物理学的发展曾一次次引起科学技术的革命。作为物 理学的重要分支，光学科学的发展曾在历次科技革命中起 着重要角色。在当今世界的经济、科技、军事等众多领域 中，电子技术与电子产业具有举足轻重的地位。因此，如 果说目前的光子学正处于20世纪六七十年代电子学的地位 ，那么不久的将来，光子学无疑将得到迅猛发展，并迎来 一个光子时代及其顶峰时期。

5. 光学课程的学习方法 绪 论 (1) 保持良好的学习心态 (2) 理解基本概念、基本原理及其基本使用条件 绪 论 5. 光学课程的学习方法 (1) 保持良好的学习心态 (2) 理解基本概念、基本原理及其基本使用条件 (3) 适当的课前预习可以使课堂听讲更容易抓住重点 (4) 课后复习要善于总结提炼，找出规律和尚未理解的问题，及时答疑 (5) 尽量结合光学实验学习 (6) 及时完成作业

如何做课程笔记与总结？ 绪 论 课堂笔记 课后笔记整理 课程总结 5. 光学课程的学习方法 完整的课程要点 公式推导 问题的理解 课程主线 绪 论 5. 光学课程的学习方法 如何做课程笔记与总结？ 讲课大纲 重点 问题 课堂笔记 课后笔记整理 课程总结 完整的课程要点 公式推导 问题的理解 课程主线 基本概念 基本数学处理方法

如何保持良好的学习心态？ 绪 论 乐学——以宽容的态度、愉快的心情 勤问——问书本、问自己、问他人 换位思考 富于责任感与使命感 绪 论 5. 光学课程的学习方法 如何保持良好的学习心态？ 乐学——以宽容的态度、愉快的心情 勤问——问书本、问自己、问他人 换位思考 富于责任感与使命感

绪 论 5. 光学课程的学习方法 书山有路勤为径 学海无涯苦作舟