2022-2023学年高二物理竞赛课件：光学总论

光学总论 2 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。 3 内 容 提 要 本书下篇论述物理光学的各个分支和相关领域的基本理论及重 要应用，并介绍这一学科的前沿领域的研究成果和近期发展动向． 本书下篇共分七章，内容包括光的电磁理论基础、光的干涉和干涉系统 、光的衍射、傅里叶光学、光的偏振和晶体光学基础、导波光学基础、光子学基础． 本书下篇可作为高等学校仪器仪表类、光电信息科学与工程及其相近专业的教材,亦可作为物理和光学专业的选修教材或参考书，也是从事光电 信息技术科学、仪器科学与技术等工程科技人员的参考书． 4 电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论，它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、光子统计和激光线宽等问题。 5 在研究光与介质（一般为二能级的原子模型）的相互作用时，有如下几种处理方法： 经典方法:麦克斯韦方程描述场 + 用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用。 半经典方法：麦克斯韦方程描述场 + 量子力学方法处理原子与光场的相互作用。（如最常用的Maxwell-Blocth方程）。 全量子方法：场进行量子化 + 原子在场中的行为也用量子力学方法处理（Janes-Cummings 模型）。 6 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。 7 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。 8 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。 9 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。 10 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。 11 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。 12 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。 � ��������� ��������� ��������� ��������� $