物理光学与应用光学

《物理光学与应用光学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理光学与应用光学（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、LOGOLOGO2013年6月15日光电工程学院主讲： 徐 宁物理光学Physical opticsEmail: Office: 教4-1楼LOGO22013/2014(1)光电工程学院一、课程性质、目的和任务1. 性质： 专业基础课后续课： 激光原理、光纤通信原理与系统、光电传感技术等2. 目的： 基本原理 分析问题方法知识的应用 3. 教学内容： 电磁场基本知识 光的干涉、衍射晶体光学 光与物质的作用课时分配 48课时LOGO32013/2014(1)光电工程学院一、课程性质、目的和任务4. 成绩评定 平时：（ 作业、到课率、答疑、课堂提问等） 30 期末考试： 705. 学习方法掌握重点

2、 培养兴趣 独立思考 主动质疑6. 参考书物理光学， 刘晨 . 合肥工业大学出版社. 2007年光学原理与应用，廖延彪. 电子工业出版社. 2006年光学习题课教程，郑植仁. 哈尔滨工业大学出版社. 2006年LOGO42013/2014(1)光电工程学院绪 论光学发发展简简史光学是一门研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。LOGO5绪 论181720192116世纪轴远古萌芽几何光学现代光学过渡时期：直线传播占主导，波 动理论逐惭形成量子光学波动光学萌芽时期： 远古至十六世纪初几何光学时期：十六世纪中叶至十八世纪初波动光学时期：十九世纪初至十九世纪末量子光学时期：十九

3、世纪末至二十世纪初现代光学时期：二十世纪六十年代至今光光 学学LOGO62013/2014(1)光电工程学院绪 论光学发展5个时期：一、萌芽时期：光的直线传播、视觉和颜色认识，光的反射、折射和透镜反射镜的利用，对大气光学现象的探讨。二、几何光学时期：建立光的反射定律和折射定律，奠定几何光学基础 三、波动光学时期：干涉、衍射解释，波动光学的形成，光是一种电磁波四、量子光学时期：光和物质相互作用 ，量子光学五、现代光学时期：傅里叶光学；光学信息处理；非线性光学LOGO7光电工程学院A、墨翟：在他和其弟子所著的 墨经中，对 光现象有八条定性记载对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光

4、 学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜)。正确反映了光的直线传播规律错误：人眼能发出光线B、欧几里德：在其著作 光学一书中提出触须学说：代表人物和成就：代表人物和成就：、萌芽时期墨翟（公元前468376年）欧几里德（古希腊，公元前330275年）LOGO8 、几何光学时期几何光学时期是光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器，建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、光强、颜色等概念，并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象，建立、巩固和发展了牛顿微粒学说。同时，波动理论开始盟芽。代表人物和成就：A、费马（法，16011665）：提出了几何光学的 基本原理费马原理，由它可导出直线传

5、播定 律、反射定律、折射定律和面镜、透镜成象规律。B、牛顿（英，16431727）：建立了光是微粒流的微粒学说，进行了白光通过棱镜的实 验，提出 了光谱、光强、颜色等概念，观察并研究了牛顿环C、李普塞：1608，发明并制造了世界上第一台望远镜望远镜。D、冯特纳：发明并制造了世界上第一台显微镜显微镜。粒子：Paticle 波：waveLOGO9 、波动光学时期建立了光的波动理论， 园满解释了光的干涉、衍射和偏振现象；通过迈克尔 逊干涉仪否定了“以太”的存在；提出并证实了光的本质就是电磁波C、菲涅耳（ 法,17881827 ）：利用杨氏干涉原理补充惠更斯原理提出了惠更斯-菲涅耳原理，园满解释了光的

6、直线传播定律和衍射现象。建立了菲涅耳公式。在牛顿物理学中打开了第一个缺口，为此，他被人们称为“物理光学的缔造者”。D、马吕斯（ 法，17751812 ）：发现了光的偏振现象，建立了马吕斯定律，研究了偏振光的干涉。代表人物和成就：B、杨氏（英，17731829 ）：最先利用干涉原理解释白光下的薄膜颜色，设计并完 成著名的杨氏双缝干涉实验，并第一次成功地测定了光的波长。提出了 光是横波的假设。主要贡献：杨氏双缝实验，杨氏模量，视觉和颜色，医学，语言学，埃及象形字A、惠更斯（荷兰，16291695）：光的波动理论的创始人，提出了“光是以太中传播的波 动”理论和 次波假设（惠更斯原理）。并园满解释了反

7、射、折射定律和双折射现象。LOGO实物粒子与光一样 具有波（Wave）、粒（Particle）二象性10黑体辐射问题：普朗克 (德,18581947)解释光电效应：爱因斯坦 (美,18791955)德布罗意（法， 18921989 ）提出物质波假说，戴维孙 与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性X射线散射实验：康普顿 (美,18921962 )发现经典电磁理论在研究光与物质的相互作用时的缺点， 建立了光的量子理论， 园满解释了黑体辐射、光电效应和康普顿效应现象；提出了光的波粒二象性。 、量子光学时期LOGO112013/2014(1)光电工程学院 、现代光学时期自1960年梅曼（美，19272

8、007）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的发展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红外波段的应用，非线性光学等，派生了许多崭新的分支学科。LOGO122013/2014(1)光电工程学院绪 论1907年:迈克尔逊，美国，测量光速1902年：塞曼,荷兰,发现磁力对光的塞曼效应1919年：斯塔克，德国，发现正离子射线的多普勒的效应和光线在电场中的分裂1921年：爱因斯坦，美籍德裔，阐明光电效应原理1923年：密立根，美国，测量电子电荷，并研究光电效应1924年：西格班，瑞典，研究X射线光谱学1930年：拉曼，印度，研究光的散射，发现拉曼效应LOGO132013/201

9、4(1)光电工程学院绪 论1953年：塞尔尼克,荷兰,发明相位差显微镜1955年：兰姆,美国,研究氢原子光谱的精细结构1958年：塔姆、弗兰克、切伦科夫，苏联,发现并解释切伦科夫效应1964年：汤斯，美国，研究根据微波激射器和激光器的原理构成振荡器和放大器巴索夫，前苏联，用于产生激光光束的振荡器和放大研究工作。 普洛霍罗夫，前苏联，在量子电子学中的研究工作导致微波激射器和激光器的制作。LOGO142013/2014(1)光电工程学院绪 论1971 D.加波 英国 全息摄影术的发明及发展1971年：加波，英国，全息摄影术的发明及发展1981年：布洛姆伯根、肖洛，美国 激光光谱学与非线性光学的研究

10、 1997年：朱棣文，美国；塔诺季，法国；菲利浦斯，美国；激光冷却和陷俘原子2005年：罗伊格劳伯，美国，对光学相干的量子理论的贡献约翰霍尔，美国，特奥多尔亨施德国对基于激光 的精密光谱学发展作出的贡献1966年：卡斯特莱，法国 发现并发展光学方法以研究原子的能级的贡献2009年：高锟，光在纤维中的传输以用于光学通信博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器（CCD）图像传感器LOGO152013/2014(1)光电工程学院绪 论光学研究三个方面：发光的发射（光源）固体发光、电光源、激光 、气体放电、化学光源电致发光、半导体光源（黑体辐射、激光原理、 光导 体物理）LOGO传光的传输（光与物

11、质相互作用）经典光学：几何光学，物理光学、分子光 学、近代光学（激光问世后）：1. 大空间范围 干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学 衍射：傅立叶光学、衍射光学、二元光学 偏振：晶体光学、偏振光学 其它：矩阵光学、激光束光学、海洋光学 、大气光学、生理光学等2. 小空间范围导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、 近场 3. 大光能量 非线性光学、强光光学、自适应光学4. 非均匀介质 非均匀介质光学、散射光学、组织光学LOGO172013/2014(1)光电工程学院绪 论收光的探测（光探测器）照相底片（光化学作 用）、眼睛（光生理 效应）、光电器件（ 光电效应）、热释电 器件（电热效应）LOGO1

12、82013/2014(1)光电工程学院绪 论 传输介质折射率 n（左右光学传播规律的基本参量） 决定光线传播的方向n常量 各向同性介质 直线传播各项异性 双折射引起折射率变化因素： 波长 外场（磁、电、声、热等） 时间（非稳态）n变量 曲线传播光波的波长（）光与物质作用，其效应与波长有关；传输特性与波长有关LOGO192013/2014(1)光电工程学院绪 论光波能量能量低 经典光学基本规律能量高 非线性光学光的偏振 衍射效率 干涉效率 光与物质作用光的应用1、光学观测仪器2、光学检测、计量仪器和光学检测方法 3、光学加工、光学医疗系统 4、信息传输LOGO202013/2014(1)第一章第

13、1章 光在各向同性介质中的传输特性本章重点和难点：1. 折射率的概念2. 平面波、球面波、柱面波、高斯光束特性及数学表示3. 相速度、群速度概念4. 光波场的空间频率5. 光的偏振态及表示6. 菲涅耳公式（反射和透射率、反射和透射 及 特性）相位偏振LOGO212013/2014(1)第一章1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程 1. 电磁波谱按频率(或波长)的次序排列成谱。光学区域包括红外线、可见光和紫外线，光谱区域波长范围约从1mm到10 nm或（1012-1016Hz）远红外(1mm20m)红外线(1mm0.76m) 中红外(20 m 1.5m)近红外(1.5 m 0.76m)1mm

14、到10 nm1012-1016HzLOGO222013/2014(1)第一章红色(760nm650nm)橙色(650nm 590nm)黄色(590nm 570nm)可见光(760nm380nm) 绿色(570nm490nm)青色(490nm460nm)蓝色(460nm430nm)紫色(430nm380nm)近紫外(380nm300nmm)紫外线(400nm10nm) 中紫外(300nm 200nm)远红外(200nm 10nm)LOGO232013/2014(1)第一章LOGO242013/2014(1)第一章2. 麦克斯韦电磁方程由麦克斯韦电磁方程，结合具体的边界条件及初始条件，可定量研究光

15、的各种传输特性。D: 电位移矢量 ：自由电荷体密度 E： 电场强度 B： 磁感应强度 H： 磁场强度 J : 传导电流密度电场的高斯定律：电场可以是有源场；电力 线必须从正电荷出发终止于负电荷。磁通连续定律：磁场是无源场；通过闭合面的磁通 量等于零，磁力线是闭合的。法拉第电磁感应定律：变化磁场产生感应电场 （涡旋场），其电力线是闭合的。安培全电流定律：传导电流和位移电流都对磁场 的产生有贡献。LOGO252013/2014(1)第一章3. 物质方程描述介质特性对电磁场影响的方程 物质方程介电常数 =0r ，0 真空中介电常数， r相对介电常数， 描述介质的电学性质。介质磁导率， 0真空中磁导率， r相对磁导率, 描述介质 的磁学性质。介质的光学特性是均匀各向同性： 、是与空间位置和方向无 关的常数介质的光学特性是各向异性： 、是张量。LOGO262013/2014(1)第一章物质方程给出了媒质的电学和磁学性质，它们是光与物质相互作用时媒质中大量分子平均作用的结果。 麦克斯韦波动方程组物质方程描述时变场情况下电磁场的普遍规律LOGO272013/2014(1)第一章4波动方程麦克