中山大学光学课件.doc

介绍教师、点名 陈敏 博士 物理系电介质物理实验室主任物理系基础物理课程体系第一主持人中国物理学会电介质物理专业委员会委员Tel:O)H)E-mail: stscm@ 介绍课程 参考书：光学，易明，高等教育出版社，1999光学，王楚，汤俊雄，北京大学出版社，2001光学，赵凯华，钟锡华，北京大学出版社，1984Principles of Optics(7th edition)，M.Born，E.Wolf，世界图书出版社，2001　 第一章 光学总论 §1.1 光学史 光学是人们对光进行研究和应用的科学。??? 首先，它是一门古老的学科。早在4000年前的古埃及和约3000年前的中国，人们就有利用光学现象的先例。如铜镜、凹面镜取火（《周礼·考工记》，周朝）等。到了公园前400年，我国出现了有关针孔成像（《墨经》，先秦。“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。）、平面镜和球面镜（《梦溪笔谈》，宋朝）等早期光学实验记录。今天光学教科书的传统内容已十分丰富。 ??? 其次，它又是一门朝阳学科。自1960年激光问世以来，光学渗透到了各个领域，并出现了交叉分支。人们对光学的科学研究集中在光的本质、光的传播以及与物质的相互作用方面。对于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种看法各异的观点――微粒说和波动说。 ??? 微粒说的代表人物是笛卡尔（R. Descartes）和牛顿（I. Newton）。其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象，亦可勉强解释光的折射。但对实验中相继发现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法解释。 波动说是有胡克（R. Hooke）和惠更斯（C. Huygens）提出的。其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程，认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊的弹性介质（以太）充满空间，这种介质应密度极小和弹性模量极大。这些均无法实验验证。 加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献，因此对波动说几乎无人相信。直到19世纪初，由于杨氏（T. Young）、菲涅尔（A. J. Fresnel）等一批科学家的不懈努力，令人信服地用波动说解释了光的干涉、衍射和偏振现象，波动理论的地位才被确立。 在光学发展过程中，曾出现过令物理学家大为困惑的，极力寻找和证实的物质――以太(ether)。既然光是一种波，那么，它赖以传播的介质是什么？这个问题直到19世纪末随着洛伦兹（H. A. Lorentz）创立电子论及随后的场论，才使以太论最终抛弃。 至此，人们以为最终认识了光的本质。然而本世纪初，在解释黑体辐射、光电效应及康普顿散射等现象时，波动说却无能为力。1905年，爱因斯坦（A. Einstein）重新提出光的粒子性概念――光子，从而解决了以上的问题。 光有粒子性和波动性双重性质――波粒二相性，不同场合表现出的属性不同。60年代，由于激光的发明，使得人们在光通讯、全息术、非线性光学、光信息处理等方面能大显身手 §1.2 光的波长·光强 光是一种电磁波 对人的视觉起作用的电磁波称为可见光。波长范围约为4000 à～7000 à波长以纳米（nm）或埃（à）为单位。1 nm = 10－9 m1à ＝ 0.1 nm = 10－10 m不同的波长，在视觉上形成不同的色觉。 即赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中：红 6400~7500 -红外橙 6000~6400黄 5500~6000绿 4800~5500蓝 4500~4800紫 4000~4500 -紫外人眼对5550 à（555nm）的黄绿光最敏感 理论上，只有单一频率的光称为单色光。实际的单色光光源总是包括了一定的波长范围，称之为准单色光。波长范围越窄，单色性越好。激光光源的波长范围约为10－8à。 按电磁理论，光在介质中的速度 （ε0＝8.85×10－12 F/m，μ0＝4π×10－7 H/m）因而真空中的光速 ( m/s )而一般介质中的光速 ????? （一般v c ） 定义折射率为 当光穿过不同介质中，频率不变，波长改变。其变化为λ＝v/ν＝c/(nν)＝λ/n其中，λ为真空中的波长。光强又称光的辐照度，它与光振动的振幅有如下关系：I=A2 　§1.3 波动的数学描述 1. 简谐平面波和球面波 若波是简谐振动的传递，称为简谐波。表示为：U(t) = Acosωt其中A为振幅，ω为角频率ⅰ° 单色平行光可看着简谐平面波设平行光沿K方向传播，现考虑