物理光学第一章第一节-邓冬梅2.ppt

参考书： 物理光学与应用光学，石顺祥等，西安电子科技大学出版社，2002 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，1984 Principles of Optics(7th edition)，M.Born，E.Wolf，世界图书出版社，2001 课程要求: 光学总论 §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。 第十章 光的电磁理论基础 光的本质 光的电磁理论的建立 麦克斯韦（Maxwell） 赫兹（Hertz） 光在电磁波中的位置 2、麦克斯韦方程组的积分形式 电场的能量密度 磁场的能量密度为 两者之间的关系 总电磁波能量密度?为： 波印廷矢量S表示电磁波所传递的能流密度 本课内容回顾 1、麦克斯韦方程组 2、物质方程 3、波动方程 4、电磁波的平面波解（平面波、简谐波解的形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质） 5、球面波和柱面波（定义、方程表达式） 6、光波的辐射和辐射能 五、球面波和柱面波 四、光波的辐射和辐射能 光是电磁波，光源发光是物体辐射电磁波的过程。物体微观上可认为由大量分子、原子、电子所组成，可看成电荷体系，大部分物体发光属于原子发光类型。 （一）电偶极子辐射模型 经典电磁理论把原子发光看成是原子内部过程形成的电偶极子的辐射。 在外界能量的激发下，原子中电子和原子核不停运动，以致原子的正电中心（原子核）和负电中心（高速回转电子）往往不重合，且两者的距离不断变化，使原子成为一个振荡的电偶极子。振荡电偶极子在周围空间产生交变的电磁场，并在空间以一定的速度传播，伴随着能量的传递。 （二）实际光波的认识 实际光源发出的光波并不是在时间和空间上无限延续的简谐波，而是一些有限长度的衰减振动。是由被称为波列的光波组成的。 这是由于原子的剧烈运动，彼此间不断碰撞，辐射过程常常中断，因而原子发光是断断续续的。 原子每次发光的持续时间是原子两次碰撞的时间间隔，持续时间很短，大约10-8～10-9秒。 不相干(不同原子发的光) 不相干(同一原子先后发的光) ∴ ∵