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1、光光 学学参考书参考书1、光学、光学郭永康郭永康高等教育出版社高等教育出版社2、光学、光学蔡履中蔡履中科学出版社科学出版社3、现代光学基础、现代光学基础钟锡华钟锡华北京大学出版社北京大学出版社期末总成绩构成期末总成绩构成平时作业：平时作业：20分分平时成绩：平时成绩：10分分期中考试：期中考试：20分分期末考试：期末考试：50分分教材教材光学光学赵凯华赵凯华高等教育出版社高等教育出版社4、光学原理、光学原理玻恩玻恩电子工业出板社电子工业出板社光学绪论光学绪论一、光学研究内容一、光学研究内容二、光学发展历史二、光学发展历史三、为什么学习光学三、为什么学习光学一、光学研究内容一、光学研究内容光学研
2、究光的本性、光的发射、传播、接收和光与光学研究光的本性、光的发射、传播、接收和光与物质的相互作用等方面的规律。物质的相互作用等方面的规律。光光学学研研究究是是广广义义的的，是是研研究究从从微微波波、红红外外线线、可可见见光光、紫紫外外线线直直到到X射射线线的的宽宽广广波波段段范范围围，关关于于电电磁磁辐辐射射的的发发生生、传传播播、接接收收和和显显示示，以以及及跟跟物物质质相相互互作作用用的的科科学学。光光学学是是物物理理学学的的一一个个重重要要组组成成部部分分，也也是是与与其他应用技术紧密相关的学科。其他应用技术紧密相关的学科。光学分成几何光学、物理光学和量子光学光学分成几何光学、物理光学和
3、量子光学几几何何光光学学是是从从光光线线的的概概念念出出发发，研研究究光光在在各各种种媒媒质质中传播中传播的特点和成像规律。的特点和成像规律。物物理理光光学学是是从从光光的的波波动动性性出出发发来来研研究究光光在在传传播播过过程程中中所所发发生生的的现现象象的的学学科科，通通常常也也称称为为波波动动光光学学。波波动动光光学学研研究究光光的的干干涉涉、光光的的衍衍射射、光光的的偏偏振振，以以及及光在各向异性的媒质中传光在各向异性的媒质中传播播的现象的现象和规律和规律。量量子子光光学学是是从从光光子子的的性性质质出出发发，研研究究光光与与物物质质相相互互作作用用的的学学科科。它它的的基基础础主主要
4、要是是量量子子力力学学和和量量子子电电动力学动力学。墨子墨子(前前468年前年前376年）对光学很有研究，研究光年）对光学很有研究，研究光的直线传播、光的反射和若干物影成像规律。的直线传播、光的反射和若干物影成像规律。二、光学发展历史二、光学发展历史中中国国的的墨墨经经中中记记录录了了世世界界上上最最早早的的光光学学知知识识。它它有有八八条条关关于于光光学学的的记记载载，影影的的定定义义和和生生成成，光光的的直直线线传传播播性性和和针针孔孔成成像像，在在平平面面镜镜、凹凹球球面面镜镜和和凸凸球球面面镜镜中中物物和和像的关系。像的关系。自自墨墨经经)开开始始，公公元元11世世纪纪阿阿拉拉伯伯人人
5、伊伊本本海海赛赛木木发发明明透透镜镜；公公元元1590年年到到17世世纪纪初初，詹詹森森和和李李普普希希同同时时独独立立地地发发明明显显微微镜镜；17世世纪纪上上半半叶叶，斯斯涅涅耳耳和和笛笛卡卡儿儿将将光光的的反反射射和和折折射射的的观观察察结结果果，归归结结为为今今天大家所惯用的反射定律和折射定律。天大家所惯用的反射定律和折射定律。光的机械论认识光的机械论认识-粒子粒子- -波动之争波动之争 斯涅耳斯涅耳笛卡儿笛卡儿费马费马 胡克胡克牛顿牛顿惠更斯惠更斯 杨氏杨氏（T.Young 1773-1829)T.Young 1773-1829)杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的工作。用干涉
6、原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色。但是由于杨氏的见解大部分是定性的表达，所以没有赢得普遍认可。波动理论的复兴波动理论的复兴 18181818年年巴巴黎黎科科学学院院有有奖奖征征文文活活动动，支支持持光光的的粒粒子子说说观观点点，但但是是他他们们的的希希望望落落空空了了。因因为为，尽尽管管有有强强烈烈的的反反对对，奖奖金金还还是是授授给给了了以以波波动动理理论论为为其其论论述述基基础础的的菲菲涅涅耳耳(A. (A. J. J. Fresnel, Fresnel, 1788-1827)1788-1827)，而而且且这这只只不不过过是是接接连连这这样样一一系系列列研研究究的的第第一一篇篇，这这些些研
7、研究究在在几几年年之之内内就就使使微微粒粒理理论论的的声声誉誉丧丧失失尽尽净。净。傅科与斐索和布雷格特在1850年所进行的一项由阿拉果首先建议的实验，确认光速在空气中和水中哪个更快。傅科傅科斐索斐索布雷格特布雷格特 麦克斯韦推测光波是电磁波麦克斯韦推测光波是电磁波 光波电磁理论的建立：光波电磁理论的建立：法拉第法拉第(M.Famday, 1791-1867(M.Famday, 1791-1867) )麦克斯韦麦克斯韦(J.C.Maxwe,1831-1879(J.C.Maxwe,1831-187918881888年赫兹的直接实验所证年赫兹的直接实验所证实光就是电磁波实光就是电磁波电磁波谱电磁波谱
8、经典物理的大厦的建成！经典物理的大厦的建成！经经典典光光学学不不能能说说明明光光的的发发射射过过程程和和吸吸收收过过程程。在在这这些些过过程程中中，物物质质和和光光波波场场相相互互作作用用的的精精细细面面貌貌被被显显现现出出来。支配这些过程的规律，是近代光学。来。支配这些过程的规律，是近代光学。基尔霍夫基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,18241887）夫琅禾费夫琅禾费(J.Fmunhofer,1787-1826)近代物理的开启近代物理的开启光谱光谱近代物理的开启近代物理的开启紫外灾难紫外灾难瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论，导出黑体瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论，导出黑体辐
9、射公式，该公式要求辐射能量随频率的增长而趋于无辐射公式，该公式要求辐射能量随频率的增长而趋于无穷大。穷大。瑞利瑞利(J.W.S.Rayleigh1842一一1919)金斯金斯(J.H.Jeans1877-1946)量子力学的诞生量子力学的诞生为了解决黑体辐射理论中的矛盾，为了解决黑体辐射理论中的矛盾， 19001900年普朗克提年普朗克提出了量子假说，认为各种频率的电磁波出了量子假说，认为各种频率的电磁波( (包括光包括光) )，只，只能像微粒似地以一定最小份额的能量程能像微粒似地以一定最小份额的能量程h h ( (称为能称为能量子量子) )发生。发生。 其中其中h h=6.55=6.55l0
10、l0-27-27尔格尔格/ /秒，是普朗克秒，是普朗克常数。我们可以说，常数常数。我们可以说，常数h h的出现是近代物理学区别的出现是近代物理学区别于旧物理学的标志于旧物理学的标志。普朗克普朗克MaPlanck(1858-1947)光本质的再认识光本质的再认识爱因斯坦根据普朗克理论，于爱因斯坦根据普朗克理论，于19051905年使光的微粒理论在年使光的微粒理论在一种新形式下复活起来。他假设，普朗克的能量量子作一种新形式下复活起来。他假设，普朗克的能量量子作为实在的光粒子而存在，这种光粒子叫做为实在的光粒子而存在，这种光粒子叫做“光量子光量子”或或“光子光子”。由此他成功地解释了当时在光。由此他
11、成功地解释了当时在光- -粒子能量转粒子能量转换方面新发现不久的一些现象，它们用波动理论不能够换方面新发现不久的一些现象，它们用波动理论不能够说明，其中主要是所谓光电效应和光化学基本规律。说明，其中主要是所谓光电效应和光化学基本规律。爱因斯坦爱因斯坦(1879-1955)量子力学的诞生量子力学的诞生玻尔玻尔(N.(N. Bohr,1885-1962)Bohr,1885-1962)把量子理论应用到原子结构，把量子理论应用到原子结构，于于19131913年成功地解释了气体线光谱的简单规律年成功地解释了气体线光谱的简单规律. . 。从这。从这些开端和越来越多的实验材料，发展出了现代量子力学些开端和越
12、来越多的实验材料，发展出了现代量子力学 海森伯海森伯(W.H.iseb(W.H.iseb垮垮) )，玻恩，玻恩(M.Bom)(M.Bom)，约旦，约旦(P.Jordan)(P.Jordan)，德布罗意，德布罗意(L.de Broglie)(L.de Broglie)，薛定谔，薛定谔(E.Schr(E.Schrdinger)dinger)，狄拉克，狄拉克(P.A.M.(P.A.M. Dimc) Dimc) 玻尔玻尔海森伯海森伯薛定谔薛定谔狄拉克狄拉克玻恩玻恩德布罗意德布罗意场场和和物物质质相相互互作作用用的的详详细细理理论论，需需要要把把量量子子力力学学方方法法的的领领域域加加以以扩扩大大( (
13、场场量量子子化化) )。对对于于电电磁磁辐辐射射场场，这这项项工工作作是是首首先先由由狄狄拉拉克做出的。这些研究形成量子光学的基础。克做出的。这些研究形成量子光学的基础。 量子光学的诞生量子光学的诞生现代光学和应用现代光学和应用 - -激光的诞生激光的诞生19171917年爱因斯坦提出受激辐射的概念。年爱因斯坦提出受激辐射的概念。LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation(LASER)19601960年，休斯顿航空公司的年，休斯顿航空公司的TheodoreTheodoreMalmanMalman用人造用人造红宝石制造了一个激光器（红
14、宝石制造了一个激光器（694nm）。 1960 1960年年Ali JavanAli Javan成功制备第一台连续激光器成功制备第一台连续激光器 ，即，即He-He-NeNe激光（激光（6328nm6328nm）. .各种工作介质、各种泵浦方式、各种波段的激光先后出各种工作介质、各种泵浦方式、各种波段的激光先后出现现NsNs、psps、fsfs、as as 激光激光非线性光学非线性光学现代光谱学现代光谱学早在早在19661966年，高锟就取得了光纤物理学上的突破年，高锟就取得了光纤物理学上的突破性成果，他计算出如何使光在光导纤维中进行远性成果，他计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输，这项成
15、果最终促使光纤通信系统问世，距离传输，这项成果最终促使光纤通信系统问世，而正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路。而正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路。信息光学信息光学后续课程后续课程1、光波导理论、光波导理论2、光纤通信基础、光纤通信基础3、激光原理、激光原理4、非线性光学导论、非线性光学导论5、光电子学、光电子学其它课程其它课程1、偏振光学、偏振光学5、超快光学、超快光学2、统计光学、统计光学6、傅里叶光学、傅里叶光学3、光子晶体、光子晶体7、量子光学、量子光学4、薄膜光学、薄膜光学8、非线性光纤光学、非线性光纤光学.三、为什么学习光学三、为什么学习光学信信息息载载体体电子电子(e
16、lectron)光子光子(photon)电子学电子学光子学光子学光子学与电子学一起扮演着信息化社会两光子学与电子学一起扮演着信息化社会两大关键支柱的重要角色大关键支柱的重要角色28光子学与电子学的发展路线图光子学与电子学的发展路线图电磁学电磁学电子学电子学微电子学微电子学纳米电子学纳米电子学18世纪世纪光学光学光子学光子学光电子学光电子学纳米光子学纳米光子学1906年年电子管电子管1948年年晶体管晶体管1960年年集成电路集成电路21世纪世纪18世纪世纪1960年激光器年激光器1970年年光纤、光纤、室温室温LDLD、集成光路、集成光路2121世纪世纪激光物理学激光物理学非线性光学非线性光学
17、付里叶光学付里叶光学量子光学量子光学几何光学几何光学波动光学波动光学工程光学工程光学光谱学光谱学光纤光学光纤光学集成光学集成光学光纤通信光纤通信量子光通信量子光通信近场光学近场光学纳米光子材料纳米光子材料纳米光子器件纳米光子器件全光信息技术全光信息技术物物理理学学纳纳米米科科学学光子较电子优势：光子较电子优势：1、光子频率高，具有较高信息容量、光子频率高，具有较高信息容量2、光子传递速度快，比电子快几个数量级；、光子传递速度快，比电子快几个数量级；3、光子具有极强的互联能力和并行信息处理能力；、光子具有极强的互联能力和并行信息处理能力；4、光子波长短，具有较高的信息处理能力，光子能够同时进行一
18、维、光子波长短，具有较高的信息处理能力，光子能够同时进行一维、二维和三维存储能力，存储能力比电子高二维和三维存储能力，存储能力比电子高106到到095、激光技术产生的超短光脉冲比电脉冲要短、激光技术产生的超短光脉冲比电脉冲要短103，可以用于诊断超快，可以用于诊断超快物理和化学过程，物理和化学过程，6、光子能为人们的眼睛所接受，具有直接显示色彩的功能；、光子能为人们的眼睛所接受，具有直接显示色彩的功能；7、光子能量与绝缘体和半导体中的电子、声子产生共振相互作用，、光子能量与绝缘体和半导体中的电子、声子产生共振相互作用，利用这种相互作用易于解决信息产生和接受等问题。利用这种相互作用易于解决信息产
19、生和接受等问题。30光子产业的内容和分类光子产业的内容和分类科研科研科研科研 军事军事军事军事 能源能源能源能源 交通交通交通交通 工业工业工业工业 农业农业农业农业 医疗医疗医疗医疗 环保环保环保环保 文娱文娱文娱文娱光子产业光子产业光子产业光子产业光通信产业光通信产业光通信产业光通信产业光信息产业光信息产业光信息产业光信息产业激光产业激光产业激光产业激光产业光学产业光学产业光学产业光学产业光光无无源源器器件件光光纤纤与与光光缆缆光光有有源源器器件件光光通通信信测测试试设设备备光光通通信信系系统统设设备备光光学学仪仪器器光光谱谱仪仪器器光光学学零零件件真真空空镀镀膜膜光光学学材材料料光光盘盘
20、与与光光盘盘机机激激光光器器与与发发光光管管显显示示器器打打印印机机与与复复印印机机数数码码相相机机图图像像扫扫描描仪仪图图像像传传感感器器光光电电探探测测器器太太阳阳能能电电池池光光照照明明激激光光雷雷达达测测距距仪仪全全息息照照相相设设备备激激光光加加工工处处理理设设备备激激光光器器系系统统设设备备激激光光医医疗疗设设备备教学内容教学内容1.1.绪论绪论 2.2.几何光学几何光学3.3.光波干涉和相干性光波干涉和相干性4.4.衍射光学衍射光学5.5.信息光学引论信息光学引论6.6.光在晶体中的传播光在晶体中的传播7.7.吸收、色散和散射吸收、色散和散射第一章第一章 几何光学的基本原理几何光
21、学的基本原理（GeometricalOptics）照相机、投影仪常见光电仪器：常见光电仪器：显微镜望远镜大型天文望远镜大型天文望远镜大型天文望远镜大型天文望远镜光电仪器三大部分：光电仪器三大部分：机械部分：机械部分： 仪仪器的器的传动传动机构、机构、联联接机构、接机构、调调整机构、壳体整机构、壳体等等 电器部分：器部分： 各种各种电电子子线线路、照明、路、照明、显显示、示、计计算机控制等算机控制等光学部分：光学部分： 由各由各类透透镜、棱、棱镜、平面、平面镜、光、光栅等光学元件等光学元件组合而成合而成几何光学是光学中发展最早的一部分。它几何光学是光学中发展最早的一部分。它所研究的中心问题是物体
22、经光学系统成像的问所研究的中心问题是物体经光学系统成像的问题。它是以光线概念为基础，研究光的传播规题。它是以光线概念为基础，研究光的传播规律和成像规律。律和成像规律。适用条件：传播时遇到障碍物的尺寸远大适用条件：传播时遇到障碍物的尺寸远大于波长。于波长。几何光学的基本原理几何光学的基本原理 2、反射定律、反射定律3.折射定律折射定律(Snell定律定律)1几何光学基本定律几何光学基本定律（“三定律三定律”）1.直线传播直线传播(均匀媒质中均匀媒质中)从三定律出发，研究光线经不同界面的传从三定律出发，研究光线经不同界面的传播方向，研究光线的传播和成像问题。播方向，研究光线的传播和成像问题。一、几
23、何光学的基本实验定律一、几何光学的基本实验定律1、直线传播定律、直线传播定律光在均匀介质中沿直线传播（平面镜成像规律，日全食）。光在均匀介质中沿直线传播（平面镜成像规律，日全食）。2、光的反射定律、光的反射定律3、光的折射定律、光的折射定律二、二、“三定律三定律”内容内容介质介质2介质介质1分界面分界面物物像像棱镜棱镜(Prisms)棱镜由抛光平面包围着的透明介质组成，可以改变光线传播方向。三、全反射三、全反射光密介质（光密介质（n1）到）到光疏介质（光疏介质（n2）入射角大于临界角入射角大于临界角全反射图片全反射图片按照波动理论，产生全反射时除反射波外，在光疏介按照波动理论，产生全反射时除反
24、射波外，在光疏介质中并非完全不存在透射波，只不过它质中并非完全不存在透射波，只不过它沿界面方向传沿界面方向传播，且其振幅在垂直界面方向按指数衰减，透入深度播，且其振幅在垂直界面方向按指数衰减，透入深度只有波长量级，只有波长量级，称为称为倏逝波倏逝波，或，或隐失波隐失波。但平均来说，光波的能量全部返回光密介质，但平均来说，光波的能量全部返回光密介质，在光疏介质中并不形成透射光。在光疏介质中并不形成透射光。光导纤维光导纤维Light can travel with little loss in a curved optical fiber, because the light is totally
25、 reflected whenever it strikes the core-cladding interface and because the absorption of light by the core itself is small. 全反射棱镜全反射棱镜 倒转棱镜倒转棱镜屋脊形五棱镜屋脊形五棱镜主要用于改变光主要用于改变光传播方向并使像传播方向并使像上下左右转变。上下左右转变。2费马原理费马原理(FermatsPrinciple)Fermat于于1679年提出的，它是从光程的观点描述光年提出的，它是从光程的观点描述光传播的规律。传播的规律。光程的概念对几何光学的重要意义体现在费马
26、原理中。光程的概念对几何光学的重要意义体现在费马原理中。几何光学的基础是前面所提到三个实验定律，费马却几何光学的基础是前面所提到三个实验定律，费马却用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的原用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的原理。理。一、光程一、光程光程光程(QP )=n l沿沿L分段均匀：分段均匀：(QP )光程定义：光程定义：光线路径的几何长度与所经过的介质折射率的乘光线路径的几何长度与所经过的介质折射率的乘积。积。均匀介质均匀介质=n1 l1+n2 l2+n3 l3对于非均匀介质对于非均匀介质光程与相位差光程与相位差光程与相位差光程与相位差即：即：光程与时差光程与时差Q Q
27、P P的传播时间：的传播时间：介质中光速用真空光速和折射率代替：介质中光速用真空光速和折射率代替：光程的另一角度认识光程的另一角度认识 光经历光经历Q Q和和P P两点的光程等于传播时间乘以真空光速。两点的光程等于传播时间乘以真空光速。二、费马原理的表述二、费马原理的表述从一点到另一点的一条实际光线取这样的路径：其从一点到另一点的一条实际光线取这样的路径：其光光程程与邻近路径光程相比与邻近路径光程相比是极大值、极小值或稳定值是极大值、极小值或稳定值；或；或光程沿平稳值路径传播。光程沿平稳值路径传播。平稳值的三种基本的含义：平稳值的三种基本的含义：极小值极小值常见情况，常见情况， 常数常数成像系
28、统的物像关系成像系统的物像关系极大值极大值个别现象个别现象费马原理的数学表达式费马原理的数学表达式路径积分：路径积分：是路径（是路径（l l）的泛函，俗称函数的函数，平稳值要求）的泛函，俗称函数的函数，平稳值要求变分为零。变分为零。为变分符号。为变分符号。光程为平稳值的典型情况光程为平稳值的典型情况费马原理应用例题费马原理应用例题双双曲透镜聚焦平行光曲透镜聚焦平行光一宽平行光入射于一透一宽平行光入射于一透镜，要求其透射光线严镜，要求其透射光线严格聚焦于格聚焦于F F点，试问点，试问 应应该是何形状？该是何形状？Fr0r MHOON 严格成像严格成像严格等光程严格等光程 解出：解出：是一条二次曲
29、线，曲面是旋转双曲面。是一条二次曲线，曲面是旋转双曲面。反射等光程面反射等光程面旋转椭球面旋转椭球面旋转抛物面旋转抛物面三、费马原理与三个实验定律三、费马原理与三个实验定律1 1、光在均匀介质中直线传播、光在均匀介质中直线传播2 2、反射定律、反射定律QQMMP要点：反射光线在要点：反射光线在入射面，反射角等入射面，反射角等于入射角，光程最于入射角，光程最短。短。M”3 3、折射定律、折射定律(1)(1)折射光线在入射面内，方法和反射定律推导一样。折射光线在入射面内，方法和反射定律推导一样。(2)(2)入射角和折射角的关系；入射角和折射角的关系； Q QM MP P的光程：的光程：Q(x1,y
30、1)M(x,0)P(x2,y2)AByxi1i2n1n2根据费马原理，根据费马原理，L L对对x x的一阶导数为零；的一阶导数为零；四四. .费马原理与成像费马原理与成像其中其中：等光程与成像：等光程与成像：等光程与成像：等光程与成像：严格等光程严格等光程 严格成像，严格成像，近似等光程近似等光程 近似成像，近似成像，非等光程非等光程 不成像，不成像，费马原理在物理学发展史上的贡献：费马原理在物理学发展史上的贡献：开创了以开创了以“路径积分，变分原理路径积分，变分原理”表述物理规律的新表述物理规律的新思维方式。思维方式。（理论力学（理论力学最小作用原理或哈密顿原理和费马原理最小作用原理或哈密顿原理和费马原理有相同的数学表达式。）有相同的数学表达式。）五、评述费马原理五、评述费马原理费马原理的使用限度：费马原理的使用限度：费马原理是几何光学的理论基础，几何光学使用限度费马原理是几何光学的理论基础，几何光学使用限度也是费马原理的使用限度。也是费马原理的使用限度。梯度折射率介质中光线的弯曲梯度折射率介质中光线的弯曲梯度折射率介质梯度折射率介质即为折射率即为折射率随不同位置呈连续变化随不同位置呈连续变化的介质的介质3变折射率光学变折射率光学上现蜃景上现蜃景下现蜃景下现蜃景利用梯度折射率介质中光线的弯曲利用梯度折射率介质中光线的弯曲, ,可以解释可以解释蜃景蜃景现象现象
