光学原理演示文档

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1、欢欢迎迎使使用用光 学网上教学软件操操 作作 说说 明明起起 始始 页页 面面操操 作作 说说 明明章章 节节 页页 面面第一章 (1)第一章 (2)第一章 (n)第七章 (1)第七章 (2)第七章 (n)第二章 (1)第二章 (2)第二章 (n)参参 考考 资资 料料退 出下一页参参考考资资料料2.Optics E.Hecht & A.Zajac3.光学 E.赫克特 A.赞斯 著4. 光学 母国光 战元龄 著5.声光器件的原理、设计和应用 徐介平 著1.光学教程 姚启钧 原著7.集成光学 (讲义) 邱元武 编6. 光学-美国物理试题与解答 中国科学技术大学 主编 下一页1 光学的研究内容和方

2、法光学的研究内容十分广泛，它包括光的发射、传播和接收等规律，以及光和其它物质的相互作用 （如光的吸收、散射和色散，光的机械作用和光的热、电、化学和生理效应等）。光学既是物理学 中最古老的一门基础学科，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可 估量的发展前途。光学的发展过程，是人类认识客观世界的历史长河中一个重要的组成部分,是不断揭露矛盾和克 服矛盾、从不完全和不确切的认识逐步走向较完善和较确切认识的过程。它的不少规律和理论是直 接从生产实践中总结出来的，也有相当多的发现来自长期的系统的科学实验。因此，生产实践和科 学实验是推动光学发展的强大动力，为光学发展提供了丰富的源泉

3、。从方法论上看，作为物理学的一个重要学科分支，光学研究的发展也完全符合如下的认识规律 ：在观察和实验的基础上，对物理现象进行分析、抽象和综合，进而提出假说，形成理论，并不断 反复经受实践的检验。 2 光学发展简史光学的发展大致可划分为下列五个时期： 一、萌芽时期； 二、几何光学时期； 三、波动光学时期； 四、量子光学时期； 五、现代光学时期。 2.1萌芽时期光学的起源应追溯到远古时代。我国春秋战国之际，墨翟（公无前468-376年）及其弟子所著 墨经中，记载着关于光的直线传播（影像的形成和针孔成象等）和光在镜面（凹面和凸面）上的 反射等现象，并提出了一系列经验规律，把物和象的位置与大小与所用镜

4、面的曲率联系了起来。绪绪 论论返 回下一页上一页克莱门德（Cleomedes，公元50年）和托勒密（C.Ptolemy，公元90-168年）研究了光的折射现象 ，最先测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。培根（R.Bacon，公元1214-1294年）提 出用透镜校正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性，并描述过透镜焦点的位置。到十五世纪末和 十六世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。 2.2几何光时期这一时其可以称为光学发展史上的转折点。在这时期建立了光的反射和折射定律，奠定了几何 光学的基础。荷兰李普塞（H.Lippershey，1587-1619年）

5、在1608年发明了第一架望远镜。十世纪初 延森（Z.Janssen，1588-1632）和冯特纳（P.Fontana，1580-1656年）最早制作了复合显微镜。 1610年伽里略（1564-1642年）用自己制造的望远镜观察星体，发现了绕木星运行的卫星，这给哥白 尼关于地球绕日运转的日心说提供了强有力的证据。开普勒（1571-1630年）汇集了前人的光学知识 ，他提出了用点光源照明时，照度与受照面到光源距离的平方成反比的照度定律。他还设计了几种 新型的望远镜，特别是用两块凸透镜构成的开普勒天文望远镜。至于折射定律的精确公式则是斯涅 耳（W.Snell,1591-1626年）和笛卡儿（R.De

6、scares，1596-1650年）提出的。接着费马（P.de Fermat，（1601-1665）在1657年首先指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理，并根据这个原 理推出光的反射定律和折射定律。综上所述，到十七世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础 。意大利人格里马第（F.M.Grimaldi,1618-1663年）首先观察到光的衍射现象，1672-1675年间胡克 （R.Hooke，1635-1703年）也观察到衍射现象，并且和波义耳（R.Boyle，1627-1691年）独立地研 究了薄膜所产生的彩色干涉条纹，所有这些都是光的波动理论的萌芽。十七世纪下半叶，牛顿（ I.Newto

7、n，1642-1727年）和惠更斯（C.Huygens，1629-1695年）等把光的研究引向进一步发展的道 路。牛顿还仔细观察了白光在空气薄层上干涉时所产生的彩色条纹牛顿圈，从而首次认识了颜色 和空气层厚度之间的关系。牛顿于公元1704年提出了光是微粒流的理论。他认为这些微粒从光源飞 出来，在真空或均匀物质定律，然而在解释牛顿直线运动，并以此观点解释光的反射和折射定律。 然而在解释牛顿圈时，却遇到了困难，同时，这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所 发生的衍射现象。惠更斯反对光的微粒说，认为光是在“以太”中传播的波。惠更斯不仅成功地解 释绪绪 论论返 回下一页上一页了反射和折射定律，

8、还解释了方解石的双折射现象。这一时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统治 地位的同时，由于相继发现了干涉、衍射和偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说也初步 提出来了。 2.3波动光学时期到了十九世纪，初步发展起来的波动光学体系已经形成。杨（T.Young，1773-1829年）和菲涅 耳（A.J.Fresnel，1788-1827年）的著作在这里起着决定性的作用。1801年杨氏最先用干涉原理令 人满意地解释了白光照射下薄膜颜色的由来和用双缝显示了光的干涉现象，并第一次成功地测定了 光的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯一菲涅耳 原理。1808年马吕

9、（E.L.Malus，1775-1812年）偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。 为了解释这些现象，杨氏在1817年提出了光波和弦中传播的波相仿的假设，认为它是一种横波。菲 涅耳进一步完善了这一观点并导出了菲涅耳公式。1845年法拉第（M.Faraday，1791-1867年）发现 了光的的振动面在强磁场中的旋转，提示了光现象和电磁现象的内在联系。1856年韦伯（ W.E.Weber,1804-1891年）和柯尔劳斯（R.Koh-Lrausch，1809-1858年）在莱比锡做的电学实验结果 ，发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度，即3108米/秒。麦克斯韦（ J

10、.C.Maxwell，1831-1879年）在1865年的理论研究中指出，电场和磁场的改变不会局限在空间的某 部分，而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值的速度传播的，即电磁波以光速传播，这 说明光是一种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹（H.R.Hertz，1857-1894年）的实验证实，他直 接从频率和波长来测定电磁波的传播速度，发现它恰好等于光速，至此，就确立了光的电磁理论基 础。 2.4量子光学时期十九世纪末到二十世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的某些现象，例如 炽热黑体辐射中能量按波长分布的,特别是1887年赫兹发现的光电效应。1900年普朗克（1858-

11、1947 年）提出了辐射的量子论，认为各种频率的电磁波只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数乘的 整数倍，成功地解释了黑体辐射问题。1905年爱因斯坦（1879-1955年）发展了普朗克的能量子假设 ，绪绪 论论返 回下一页上一页把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论，圆满解释了光电效应 ，并为后来的许多实验例如康普顿效应所证实。1924年德布罗意（L.V.de Broglie，1892- ）创立 了物质波学说。他大胆地设想每一物质的粒子都和一定的波相联系，这一假设在1927年为戴维孙（ C.J.Davisson，1881-1958）和革末（L.H.Germer，1

12、896-1971年）的电子束衍射实验所证实。 2.5现代光学时期从本世纪六十年代起，特别在激光问世以后，由于光学与许多科学技术领域紧密结合、相互渗 透，一度沉寂的光学又焕发了青春，以空前的规模和速度飞速度飞速发展，它已成为现代物理学和 现代科学技术一块重要的前沿阵地，同时又派生了许多崭新的分支学科。1958年肖络（A.L.Schawlow）和汤斯（C.H.Townes）等提出把微波量子放大器的原理推广到光 频率段中去，1960年梅曼（T.H.Maiman，1927- ），首先成功地制成了红宝石激光器。自此以后， 激光科学技术的发展突飞猛进，在激光物理、激光技术和激光技术和激光应用等各方面都取得

13、了巨 大的进展。同时全息摄影术已在全息显微术、信息存贮、象差平衡、信息编码、全息干涉量度、声 波全息和红外全息等方面获得了越来越广泛的应用。光学纤维已发展成为一种新型的光学元件，为 光学窥视（传光传象）和光通讯的实现创造了条件，它已成为某些新型光学系统和某些特殊激光器 的组成部分。可以预期光计算机将成为新一代的计算机，想象中的光计算机，由于采取了光信息存 储，并充分吸收了光并行处理的特点，它的运算速度将会成千倍地增加，信息存储能力可望获得极 大的提高，甚至可能代替人脑的部分功能。总之，现代光学与其他科学和技术的结合，已在人们的 生产和生活中发挥着日益重大的作用和影响，正在成为人们认识自然、改造

14、自然以及提高劳动生产 率的越来越强有力的武器。 绪绪 论论返 回下一页上一页第一章第一章光的干涉光的干涉返 回下一页上一页1.1 定态光波与复振幅描述 1.1 波动概述所谓波动是指振动在空间的传播形式。波场中每点的物理状态随时间作周期性的变化，而在每瞬 时，场中各点物理状态的空间分布也呈现一定的周期性，因此，我们说波动具有时间和空间双重周期 性。同时伴随着波的传播，总有能量的传输，这样，具有时空双重周期性的运动形式和能量的传播， 是一切波动的基本特性。波场的几何描述通常使用波面和波线的概念。在同一振源的波场中，扰动同时到达的各点具有相 同的位相，这些点的轨迹是一曲面，称为波面（或波阵面）。一般

15、说来波面是三维空间里的曲面族。 波面为球面的叫做球面波(图1-1（a）)波面为平面的波，叫平面波（图1-1（b）。我们设想在波场中给出一线族，它们每一点的切线方向代表该点波扰动的传播的方向（或代表能量流 动的方向）。这样的线族，称为波线，在各向同性媒质中，波线总是与波面正交的。所谓“光线”就 是光波的波线。在各向同性媒质中情况比较复杂，波线与波面一般不是正交。 1.2定态光波的描述 具有如下性质的波场叫定态波场：空间各点的扰动是同频率的简谐振荡（频率与振源相同）；波场中各点扰动的振幅不随时间变化，在空间形成一个稳定的振幅分布。1-1图1-1（a）图1-1（b）普遍的定态标量波的表达式为：U（P,t）=A(P)cost-(P)