中科大光学课件00引言

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1、- 1 - 光学 引言 细推物理须行乐，何用浮名绊此身？ 杜甫曲江二首之一 人每时每刻都在呼吸着， 所以并不觉得呼吸是一种幸福。 但如果不能呼吸了，将会怎样？物理学对于我来说就像呼吸一样。 李政道 一光是什么？ 起初，上帝创造天地。 上帝说： “要有光” ，于是就有了光。这是头一日。 圣经创世纪 任何一门物理学科，都必须解决研究对象的两个问题：是什么？怎么样？ 人来到世间，睁开眼就看到了光，光伴随一个人的终生。那么，如果问： “光是什么？”不同的人将会有不同的答案。 光是视觉，是眼睛所见。 光是光线。 光是一种电磁波。 光是能量子。 对于上述种种答案，既可以说是对的，又可以说不是完全对的。那么

2、，光到底是什么呢？或者我们站在物理学的角度问，光的本质是什么？ 要给出一个完全正确的答案，现在看来还为时过早。也许这个问题永远也没有一个终极正确的答案。 我们常说，要了解一个人，应当“察其言而观其行” ，也就是说，要通过对其表现的观察，来判断他到底是一个什么样的人。那么，对于光，也可以按照这一原则进行研究。 人们对事物的本质和规律的认识，都是从认识其现象开始的。而现象，则是通过该事物与环境和其它事物的相互作用而表现出来的。于是我们就可以从光与其它物质的相互作用所产生的效果进行研究。 引言 - 2 - 首先，光能够对眼睛产生刺激并由此在头脑中形成图像。人眼可以感觉到光的颜色、光的方向和光源的位置

3、。人能够看到物体，是由于物体所发出的光，即包含各种颜色、来自各个地点、具有各种角度的光进入我们眼睛的原因。人眼所见的物体要么本身发光，要么反射来自其它物体的光。除此之外，光还能使物体发热，说明光还具有能量。这是人们在日常生活中对光的认识，当然是肤浅的。如果仅仅限于对现象的描述，还不能成为一门科学。 其次，可以发现光是遵循着一定的规律进行传播、反射和折射的，这种规律可以用几何上的线，即光线，进行描述。 如果再深入进行观察的话，将会发现，光会出现干涉、衍射等等现象，而干涉和衍射是波的特征，那么，光无疑又是一种波。 但是，研究又发现，如果认为光是波的话，则无法解释诸如黑体辐射、光电效应等等现象，于是

4、，光的量子说又出现并得到认可。而且，从光量子的角度，也能够解释干涉、衍射等波动现象。 有了更加准确的光量子学说，是否意味着在此之前的光线、光波等等概念是错误的，而应该加以摒弃呢？ 在回答这个问题之前，我们应该想一下，光量子的学说难道就是对于光最本质的解释吗？ 事实上，无论是光线理论、波动理论还是光量子理论，既反映了在不同的历史阶段人们对于光的认识，也反映了光在与不同物质相互作用时所表现出来的特性。在研究光的反射折射和成像等问题时，用光线理论是最合适的；而在处理光的衍射、干涉等问题时，采用光的波动理论则最合适。对于诸如光电效应、黑体辐射等问题，则只有采用光量子理论来解决。所以，直到目前为止，上述

5、三种理论仍然是组成光学的重要内容，都在不断获得发展、并在应用中取得了巨大的成功。 所以，可以这么说，光线、光波、光量子，都是物理学中为了研究光而引入的模型。 二、光的物理模型 在物理学中，人们要建立一门学科，总要先定义一些物理概念。物理概念是对某种物质或现象的本质的描述和概括，反映了人们对事物认识的程度。因而在不同的阶段，同一概念所包含的内容是不同的。 为了使物理概念形象化，人们往往建立物理模型来反映研究对象。例如，分子、原子、电子都是模型，电磁波也是模型。宏观物体的运动可以用质点运动模型来描述，微观粒子的运动可以用量子模型描述。由于概念不断变化，反映概念的模型也不断改进更新。对于光的认识，也

6、是这样的一个过程。一方面，随着研究的深入，光的物理模型发生了变化；另一方面，光与不同物质相互作用时，表崔宏滨 李永平 光学 引言 现出不同的特性，所以可以用不同的物理模型来描述光。 描述光的一个重要物理量是光的波长，可以用光的波长作为一种度量的尺度或标准，光在与不同尺度的物体作用时，表现出不同的特征，因而可以用不同的物理模型来描述。 1光的宏观表现 如果观察光与宏观物体，即尺度比光的波长大得多的物体相互作用，则可以用光线这一模型来描述其规律，光的直线传播定律、反射定律、折射定律等就是关于光线的定律，由此构成几何光学。几何光学中最基本的概念是光线，即认为光是由一束束的几何线组成。 几何光学是关于

7、光的一个唯象理论，只是利用几何线来描述光在媒质中的传播、反射和折射，主要用来处理光的成像问题。对于光的物理本质并不涉及。所以，无法从理论上说明光是如何传播的，也无法定义和导出光速、波长等概念。 1）光与小尺度物体的作用 光与介观尺度的物体，即尺度与波长可以比拟的物体相互作用时，则表现出典型的波动特性，可以进行干涉、衍射。描述光的波动性的理论被称作波动光学。 波动光学是经典光学的核心内容，就是认为光是电磁辐射频谱的一段，即光就是电磁波，从 Maxwell 方程组出发，可以解决波动光学中诸如反射、折射、干涉、衍射、偏振、散射、色散等等问题。 2）光在原子尺度上的表现 由黑体辐射导致的“紫外灾难”

8、，在 1900 年由 Plank 用量子假设解决。 1905 年，Einstein 用量子假设成功解释光电效应。 1921 年，Compton 用光量子解释了 X 射线与电子的散射。 从此以后，光量子的理论开始登上历史舞台，并获得了极大的成功。光的量子理论的核心是光具有波粒二象性一切量子现象的基本属性。但这里的“波动”和“粒子”的含义与最初 Huygens 所提出的波动性和 Newton 所提出的粒子性是根本不同的。 综上所述，光线、光波、光量子等，都是光的物理模型，以这些物理模型作为最基本的假设和出发点，分别建立了几何光学、波动光学和量子光学。它们都是光学的重要分支，构成了现代光学的基本内容

9、；既相互关联，遵循相同的物理规律，又相对独立，各有不同的应用领域和适用范围。在实际中，往往要根据具体的情况，按照简捷实用的原则，采用不同的模型和理论处理不同的问题。 三、光学的发展及其成就 引言 - 4 - 光学是物理学的一个重要组成部分，也是一门基础学科。但是，自古以来，即使是在真正意义上的物理学诞生之前，人们就已经根据所积累的经验和知识对光进行研究和利用。 墨经 ，成书于公元前 43 世纪，据后人研究，其中有 8 条论述了几何光学知识（见钱临照释墨经中之光学、力学诸条，最初发表于年的李石曾先生六十岁寿辰纪念论文集 ，后又发表于科学通报 ，2 卷 8 期，1951） 。阐述了影、小孔成像、平

10、面镜、凹面镜、凸面镜成像，还说明了焦距和物体成像的关系。但由于年代久远，散佚严重，真讹难辨。 光学或译作反射光学 ，前 32 世纪，古希腊 Euclid（约公元前 330275）著，已指出光在平面上反射时，入射角等于反射角。其后研究了光的折射等成像规律，并制成了一些光学器件。 几何光学的最初发展就是源于天文学和解剖学的需要。因为光学仪器在天文学和解剖学的研究中有着重要作用，在人们不断研究、制造光学仪器的过程中，几何光学形成了。 阿拉伯学者阿勒哈增（9651038）在视觉生理学方面进行过深入的研究。他认为， 视觉是在玻璃体中得到。 “网膜”“角膜”、 “玻璃状体”、 “前房液”等术语都是阿勒哈增

11、的发明。阿勒哈增从希腊人那里学到了反射角的定律，并对光在球面和其它曲面镜上的反射作了进一步的研究，他指出，入射线、反射线以及法线都位于同一平面上。1572 年，阿勒哈增的光学专著光学全书被译成拉丁文出版。 十七世纪初，德国天文学家开普勒由于革新天文望远镜的实际需要对几何光学进行了研究。1604 年他发表了一篇论文，对光的反射现象、光的折射现象及视觉现象作了初步的理论解释。1611 年，他又出版了一部光学著作，其中记载了他的两个重要试验，对几何光学作了进一步的理论探讨，提出了焦点、光轴等几何光学概念，发现了全反射。 继开普勒之后，荷兰物理学家和数学家斯涅尔（Snell）对几何光学做出了系统的、数

12、学的分析。斯涅尔通过实验与几何分析，发现了光的反射定律和光的折射定律。但斯涅尔在世时并没有发表这一成果。1626 年，他的遗稿被惠更斯读到后才正式发表。折射定律的确立，促进了几何光学的迅速发展。 在这一时期，笛卡儿等人也对光的反射、折射和色散等现象进行了研究，并提出了自己的观点。 1661 年，法国的费马把数学家赫里贡提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，于是费马根据光的传播、反射和折射定律，提出了著名的费马原理：光沿着所需时间为极值的路径传播。 牛顿（Newton）受到笛卡儿等人的著作的启示，在 1672 年成功地进行了分光实验，一束白光经三棱镜折射后，不同颜色的光沿不同角度出射，形成

13、彩色光崔宏滨 李永平 光学 引言 带。 十七世纪，几何光学初步形成并得到了蓬勃的发展。 随着几何光学的发展，光的本质问题成了研究和争论的焦点。 1704 年 Newton 在其光学一书中提出微粒说，认为光是由一个个粒子组成的，每个粒子可看做一个质点，遵守质点运动的规律，提出了完整的微粒说理论，并得到牛顿派二百多年的支持。 格里马第是光的波动说的提出者, 波义耳和胡克是他的支持者；惠更斯继承并完善了胡克的观点。Huygens 在 1678 年所出版的论光中完整地阐述了波动说。认为光以波的形式存在和传播，遵循波动的规律。1809 年，马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。1811 年，布吕斯特在研究光

14、的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。 另外在光的波粒之争中，光速的测定曾给他们提供重要的依据。在相当长的时期内，许多人进行了测量光速的试验，事件排列如下： 1607 年，伽利略（Galieo） ，第一次尝试测量光速，但由于方法简单，没有获得结果。 1676 年，罗默（O.Romer） ，天文学方法,c=215,000km/s 。第一次提出了有效的光速测量方法。 1725 年，英国天文学家布莱德雷发现了恒星的光行差现象，他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要 8 分 13 秒。 这个数值较罗麦法测定的要精确一些。 1849 年，斐索（Fizeau） ，在实验室中，用齿轮法

15、，c=315,000km/s 。 1851 年，弗科（Foucault)，用旋转棱镜法，298,000 + 500km/s，且发现在水中光的传播速度比真空（空气）中低。 1928 年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。 1972 年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.40.1 米/秒。 除在波粒之争中的作用之外，光速的测定本身在光学的研究历程中也有着重要的意义。 1801 年，TYoung 在光通过双孔的实验中，首次观察到了与水波的干涉现象相似的光的干涉现象。光经过双孔后，由于干涉，光能量在空间重新分布，出现了一系列明暗相间的条纹。这一实验称为杨氏干涉

16、。杨氏干涉实验证明了光的波动性。 托马斯杨进行光的干涉试验，第一次提供了测定波长的方法。其后，德国物理学家弗琅和费对太阳光谱作了认真的检验，并向慕尼黑科学院展示了他自己绘编的太阳光谱图，另外他还发明了衍射光栅。此后，人们逐渐对光谱的性质重视起来。 1859 年，基尔霍夫对光谱进行了深入的研究，他发现了物体吸收和发射本领之间的联系。他和本生研究了各种火焰光谱和火花光谱，并在研究碱金属的光谱 引言 - 6 - 时发现了铯和铷。他们发明了为光谱学的蓬勃发展打下坚实基础的光谱分析，发明了光谱的可见光部分、紫外部分和红外部分的光谱学测量方法。随后，用光谱方法人们又发现了几种金属元素。光谱分析对鉴定化学成分的巨大意义，使光谱研究工作迅速发展。1868 年，埃格斯特朗发表了“标准太阳光谱”，记有上千条弗琅和费线的波长， 数字十分精确， 为光谱工作者提供了极有价值的资料。 1882 年，劳蓝德制作了一个具有很高分辨率的光栅干涉仪和高分辨率的干涉分光镜，这是光学技术的伟大成就。 在这一形势下，许多物理学家都试图寻求光谱的规律。1884 年，瑞士的一位中学数学教师巴耳末报告了他发现的氢光谱公式。这就是著名