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1、光学简史,古希腊（公元前5-3世纪） 毕达格拉斯（光线/fire element)从眼睛里射出） 德谟克利特（身体辐射出不可思议的物质） 亚里士多德（代表物体的物质进入人眼） 柏拉图（眼睛发射光线落到物体上） 欧几里德(几何光学）描述了反射定律,中世纪(公元5-15世纪） 阿肯第（世上万物发出各个方向的光线）（公元9世纪） 培根玻璃透镜；眼镜（意大利）公元12世纪） 达芬奇、笛卡尔、伽利略等人发展几何光学， 解释透镜特性，建造光学仪器（公元15-17世纪）,伽利略第一台实用望远镜,17 世纪 牛顿（1642-1726）和惠更斯（1629-1695）关于光的本性的争执；费马原理（光线传播的基本原
2、理）,18-19 世纪 托马斯.杨干涉实验、菲涅耳衍射实验使牛顿微粒理论受挫；麦克斯韦电磁方程，赫兹证实天线辐射原理(1899),20世纪 量子理论（普朗克、爱因斯坦、波尔等） 光学全息术的发现(1948) 激光的发现(1956) 飞秒激光（10-15秒电磁脉冲）、激光冷却技术、 量子纠缠、量子输运、量子逻辑门（量子光学与计算科学交叉量子信息技术） 激光的应用促进了诸多领域的迅猛发展！,早期光的本性的争论,粒子性,波动性,牛顿(17世纪伟大物理学家)是早期光的微粒理论的代表人物。 认为波动理论难以解释光为什么会走直线。 认为光在介质中传播速度比真空中快。,惠更斯-牛顿同时期支持波动理论代表人物
3、。 认为光在介质中传播速度比真空中慢。,干涉和衍射难以用微粒理论解释！ 菲涅耳用波动理论解释光基本沿直线传播,19世纪初托马斯.杨的干涉实验和菲涅耳的衍射实验使波动理论占上风。 1850年傅科确定光速在水中比空气中小. 1862年麦克斯韦指出光是电磁波.,牛顿和惠更斯都能解释折射定律，但对光在介质中的速度有着相反的推断。,宣告波动理论的胜利,光的波动理论被广泛接受。,惠更斯原理,光扰动同时到达的空间曲面称为波前或波面，波前上的每一个点可以被看作一个新的扰动中心，称为子波源或次波源，次波源向四周激发次波；下一时刻的波前应当是这些大量次波面的公共切面，也称其为包络面；次波中心与次波面上的那个切点的
4、连线方向给出了该处光的传播方向。,惠更斯原理的精华是次波的概念；没有波长的概念，不能回答光振幅、光强度、光相位的传播问题 。,事实是光在水中比空气中慢！,光被认为是一种电磁波,电磁波是横波,光谱中的色彩是整体性连续变化的。通常所说的光的七个色彩类比于音乐的音阶，其选定有一定任意性,蜜蜂可以看见紫外光,还有毫米波、激光雷达,新的光子说,“光的波粒二象性”在20世纪中期量子力学理论建立起来后得到了统一。,普朗克（1858-1947）于1900年提出能量子假说，解释了黑体辐射。 爱因斯坦（1879-1955）1905年将其发展为光子学说并成功解释了光电效应。 德布罗意（1892-1987）物质波，波
5、粒二象性。 20世纪中期，薛定谔、海森堡、狄拉克和玻恩等人建立量子力学。,19世纪末和20世纪初，在研究光与物质相互作用时，发现很多新的问题不能用波动说加以解释。 其中著名的难点是黑体辐射能谱与经典理论的矛盾；光电效应的解释。,光能通过粒子“光子”来传送解释黑体辐射等 光能通过波动传送干涉、衍射等,光子（基本光粒子）静质量m=0 能量E=h; h是普朗克常数 =6.626210-34焦.秒,-波长； -频率,光速=波长*频率,真空中光速约3108米/秒,光的产生,波尔假设： 一个电子沿着不辐射能量的某些轨道绕核旋转。 电磁辐射是电子由高能轨道走向低能轨道时以单脉冲发出的。,玻尔（1885-19
6、62）：“原子能之父”；37岁获诺贝尔奖,辐射源的原子或分子从激发态（高能轨道）向低能级跃迁同时向外辐射能量的形式称为发光。根据能级不同，不同物质具有不同的发光谱线。,普朗克（1858-1947）：量子理论的基础，1918年诺贝尔奖,水银的电子能级 546纳米波长光是常用的校准光,发光的形式,电致发光如：闪电、霓虹灯,光致发光如：日光灯气体产生紫外光激发荧光粉发光,化学发光如：萤火虫体内荧光素与空气氧化反应发光,阴极射线致发光如：传统电视荧光屏等发光,热致发光如：NaCl在火焰中的钠黄光,荧光材料只有在受到辐射时发光。某些材料在所有照射源取去后很长时间仍可继续发光叫做磷光。磷光物质用在夜光手表
7、等。 很多都有1万小时以上的亮度半衰期。夜明珠、天然萤石CaF2,光的传播,光可以在真空中以电磁波的形式传播，不同介质中的光速不同。 光速的测量在17世纪才得以实现，推动了波动光学的确立。,光可在真空中传播，不同于声波,光速的第一个较为精确的测量结果是靠天文观测取得的,Io卫星消失在木星背后的周期是42.5小时。 丹麦天文学家罗默根据地球在不同位置观测Io卫星消失的时刻差推出光速3c/4,迈克耳孙旋转棱镜法测定出更精确的光速,调整棱镜的转速，使得其转八分之一转时反射光被观测到。,迈克耳孙（1852-1931）：首次测定一个星球的直径；1907年诺贝尔奖第一位美国人,1983年 c=299,79
8、2,458m /s,光与物质的相互作用,光的折射透镜的基本作用原理,光的反射反射分镜面反射和漫反射,光的散射天为什么呈现蓝色？,光的吸收物体呈现不同的色彩与物体对不同频率光的吸收有关,最常见的光太阳光,太阳温度高达5800oC,其发光形式为热致发光。 太阳光包含所有可见光范围的连续光谱，因而呈现白色。,由于地球大气对波长短的蓝、紫光散射较强，因此天空呈蓝色。 进入人眼的太阳光红、黄色偏多。,太阳光中红外紫外频段范围内的光占主要成分。 牛顿光通过棱镜实验（1666年,24岁）证明白光是不同色彩的光混合的结果。,落日为何 成红、黄色？,日落时太阳光经过的大气层距离变长，短波成分大量被散射。,物体呈
9、现的色彩,物体色彩与物体发出或反射的光有关；不同频率的可见光在人眼中呈现不同的色彩；我们看到的色彩通常是多种频率光的组合效应,不同频率光的组合可以产生不同的色彩效果，但人眼对光的色彩分不出其频率成分。,红、绿、蓝作为光的三原色，可以组合出几乎所有颜色。,人类对光的色彩的应用基于三原色的组合。如：各种彩色显像。,不同光源照射下色彩的变化,视觉,我们能够看见一件东西，是由于这件东西能对光线起作用。如果物体既不吸收光线，也不反射光线或是折射光线，那它就根本不能被看到.,任何透明的物体，放在透明的介质中，只要他们的折射率相差小于0.05，这个透明物体就会变得看不见。玻璃放到任何一种折射率和它差不多的液
10、体中就很难被发现,(小虾、水母等),隐身色由于水面的全反射，深水向上看是银色背景,所以银色的鱼鳞可以提供保护减少受到水上或水下的攻击.(军舰的灰色(海洋背景);飞机底部(浅蓝色天空背景)上部(褐色、暗绿色、紫色地面背景，夜晚攻击黑色）；所有环境都能使用的隐身色是一种能反射四周景色的镜面。,B2隐型轰炸机、F117隐身攻击机,电磁隐身？,探讨光学问题的三个模型,根据光的特点，对于不同的光学问题常常用到三个模型： 1、光线模型；2、波动模型；3、粒子模型,1、光线模型 最大特点是简单；并能处理几何光学中的各种问题。其适用与光的波长与物体尺寸相比可以忽略的情况。,2、波动模型 波动模型可以描述光的不
11、同色彩；并能解释当物体的尺寸近似或小于光波长时，光与物体相互作用的特殊现象。,3、粒子模型 粒子模型可以解释光与原子或分子相互作用的特殊现象,、几何光学 、波动光学通论 、光的干涉 、光的衍射 、光在晶体中的传播 、光的吸收、色散、散射、激光,本学期课程安排,详细讲解、重点掌握,快速讲解、,快速讲解,自学为主,几何光学,几何光学的内容： 1、平面和球面的反射、折射 2、傍轴近似下的成像 3、孔径和光阑 4、像差,几何光学有效前提：所研究对象的尺寸要远大于光的波长！ *理解光在波长尺度的行为，要考虑光的波动性！ *点物或点像远小于波长，所以光会聚到一点是近似的结果！,为什么会聚系统是必须的？,理
12、想的成像系统：物上的每一点与像上的每一点一一对应； 实际的成像系统会引入模糊！,聚焦、散焦、模糊,在傍轴几何光学中光学系统理想聚焦,处理像差，需要非傍轴几何光学,不理想聚焦由 像差和衍射引起,处理衍射，需要波动光学,像差,实际光路与傍轴光路有所偏离，所成像偏离理想成像的现象统称为像差，分为单色像差和色差。,单色像差是单色光成像时由非傍轴光线成像所产生的像差；可分为球差、慧差、像散、场曲和畸变五种情况。,色差是复色光成像时由于介质折射率与光的颜色有关引起的像差.,轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于一点的现象称为球差。,与球差相对应,傍轴物点发出的宽光束径透镜后不再交于一点，而在高斯像面上形成
13、彗星状弥散斑，这种现象叫做慧差。,远轴物点发出的窄光束经透镜后不再交于一点，这种现象称为像散,像面弯曲简称场曲,当物体发出的光线与主轴有大倾角时，既使是窄光束，所形成的像与原物体也不再相似，这种现象称为畸变,分枕型畸变和桶型畸变。,色差是复色光成像时由于介质折射率与光的颜色(波长)有关引起的像差.,光的反射定律,反射定律:,古希腊数学家欧几里德（约公元前3-4世纪）在其著作中宣布。,Reflected Ray,Incident Ray,镜面反射和漫反射,镜面反射(光滑表面） （有序、清晰),漫反射（粗糙表面） （无序、弥散）,Specular Reflection (smooth suface
14、s),Diffuse Reflection (rough surfaces),镜面反射是一种理想的情况。 正因为漫反射的存在，我们才能在各个角度看见物体。,反射现象及其应用,Periscope,汽车观后镜,潜望镜有吸收作用一般最多20多米长,光的折射定律,Transmitted or Refracted Ray,Reflected Ray,Incident Ray,折射定律：,透镜的基本作用原理,140年托勒密研究现象17世纪斯涅耳实验发现，笛卡耳给出数学形式,Normal,折射率,介质的折射率为光在真空中的速度除以光在介质中的速度,相对折射率,对于折射率不同的两种介质，折射率较大的为光密介质
15、，折射率较小的为光疏介质,不同介质中不变的是光的频率f,棱镜,三棱镜最小偏向角公式,光楔的偏向角公式,Prism,临界角,光密到光疏(nn1),光疏到光密(nn1),若n=1.5(水),n1=1(空气)则Crit41.8o,根据折射定律,折射临界角,全内反射临界角 Total Internal Reflection,Critical Angle,折射现象及其应用,冰和盛满水的圆玻璃瓶可用来聚焦取火,自然界中的折射现象使得人类和其它生物的大脑需要进行相应的调节适应！,折射会把水里的东西提的好像比它真正的位置高，水看起来比实际浅三分之一。,夏天的路面为何远远看去象有一层水？,海市蜃楼,折射率随海面
16、高度y的变化,Mirage or looming,冬季海面,夏季公路或沙漠,炽热地面上空折射率变化,空气折射率的空间梯度变化产生海市蜃楼现象；并非任何方位都能看到，存在一个最佳观察高度和视角问题。,大气电离层（D)区,高空中的大气分子和原子，在太阳辐射作用下被电离为离子和自由电子。这个含有大量离子和自由电子的大气层称作电离层，约位于60-500km高度。D区在60-90km之间,D区折射率的变化函数为：,D区折射率自下而上，折射率渐减，从地面发射的电磁波或光波当入射D区后其射线轨迹弯曲向下，又回到地面另一处，借此原理实现短波无线电通讯。,枫桥夜泊 唐朝诗人 张继（？约779 ） 月落乌啼霜满天， 江枫渔火对愁眠， 姑苏城外寒山寺， 夜半钟声到客船。,物理知识？,声线弯曲,在地面附近，声速与温度(T)的关系式近似为：,白天地面温度高于上空温度，声线弯曲向上，存在一个静区,夜间相反，声音可越过障碍，传的更远。 “夜半钟声到客船”,人
