光学发展史优秀课件.ppt

光学发展史第1页，本讲稿共21页西方也很早就有光学知识的记载西方也很早就有光学知识的记载欧几里得欧几里得(公元前约公元前约330一一260)的的反射光学反射光学研究了光研究了光的反射。的反射。阿拉伯学者阿勒阿拉伯学者阿勒哈增哈增(ALHaMn，965-1038)写过一部写过一部光学全书光学全书，讨论了许多光学现象。，讨论了许多光学现象。光学的发展历史光学的发展历史第2页，本讲稿共21页1.12991.1299年，发明了眼镜。意大利人阿玛蒂制造年，发明了眼镜。意大利人阿玛蒂制造 了眼镜。了眼镜。2.16082.1608年，荷兰人李普塞制成第一台望远镜，年，荷兰人李普塞制成第一台望远镜，伽利略改进成放大伽利略改进成放大3232倍的望远镜。倍的望远镜。3.3.几乎与望远镜同时，荷兰人发现制造了显微几乎与望远镜同时，荷兰人发现制造了显微 镜。镜。光学仪器的研制光学的发展历史光学的发展历史第3页，本讲稿共21页二、二、几何光学时期：几何光学时期：光学真正形成一门学科，应该从建立反射定律和折射定律光学真正形成一门学科，应该从建立反射定律和折射定律得时代算起，这两个定律的建立奠定了得时代算起，这两个定律的建立奠定了几何光学几何光学的基础。的基础。光学的发展历史光学的发展历史第4页，本讲稿共21页 阿拉伯学者阿勒阿拉伯学者阿勒.哈增（哈增（965-1038）发现这一结论与事实不符。）发现这一结论与事实不符。光的折射定律建立的历史过程光的折射定律建立的历史过程托勒密 早在古希腊时代，天文学家托勒密（约公元早在古希腊时代，天文学家托勒密（约公元100年年170）就）就曾专门做过光的折射实验，并得出了曾专门做过光的折射实验，并得出了“折射角与入射角成正比折射角与入射角成正比”的结论。的结论。17世纪初期，世纪初期，1611年，开普勒对光的折射问题上进行了实验研究年，开普勒对光的折射问题上进行了实验研究第5页，本讲稿共21页斯涅耳的这一折射定律（也称斯涅耳定律）是从实验中斯涅耳的这一折射定律（也称斯涅耳定律）是从实验中得到的，未做任何的理论推导，虽然正确，但却从未正得到的，未做任何的理论推导，虽然正确，但却从未正式公布过只是后来惠更斯和伊萨克式公布过只是后来惠更斯和伊萨克沃斯两人在审查沃斯两人在审查他遗留的手稿时，才看到这方面的记载他遗留的手稿时，才看到这方面的记载光的折射定律建立的历史过程光的折射定律建立的历史过程 折射定律的正确折射定律的正确表述表述最早是由荷兰的斯涅最早是由荷兰的斯涅耳耳(W.Snell，15801626)于于1621年通过实年通过实验得到的。验得到的。第6页，本讲稿共21页 笛卡儿，他没做任何的实验，只是从一些假设出发，并从理笛卡儿，他没做任何的实验，只是从一些假设出发，并从理论上推导出这个定律的论上推导出这个定律的。为了使理论结果与实验数据相符，。为了使理论结果与实验数据相符，他还必须假设密媒质光速比疏媒质大。现在看来这个假设显他还必须假设密媒质光速比疏媒质大。现在看来这个假设显然都是错误的。然都是错误的。笛卡尔的推导受到了费马（笛卡尔的推导受到了费马（PierrFermat，1601-1665）的批）的批评。评。1661年，费马将数学方法用于折射问题，推出了折射定律，年，费马将数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。得到了正确的结论。光的折射定律建立的历史过程光的折射定律建立的历史过程第7页，本讲稿共21页科学过程，是人类一代科学过程，是人类一代代探知外在客观、探知代探知外在客观、探知各种规律的一个永无止各种规律的一个永无止境的过程，是一个后人境的过程，是一个后人不断补充、不断修正乃不断补充、不断修正乃至推翻前人认识的不断至推翻前人认识的不断进取的过程。进取的过程。第8页，本讲稿共21页从从17世纪以来，展开了关于光的本性的认识研究。其世纪以来，展开了关于光的本性的认识研究。其中以牛顿为代表的光的微粒说和以荷兰科学家惠更斯中以牛顿为代表的光的微粒说和以荷兰科学家惠更斯为代表的波动说最为重要。这两种学说的争论一直持为代表的波动说最为重要。这两种学说的争论一直持续到续到20世纪初，爱因斯坦把光的微粒说与波动说在新世纪初，爱因斯坦把光的微粒说与波动说在新的层次上统一起来，提出了光具有波粒二象性，并为的层次上统一起来，提出了光具有波粒二象性，并为世人所公认。世人所公认。三、三、波动光学时期：波动光学时期：第9页，本讲稿共21页 光的微粒说光的微粒说17041704年，牛顿：年，牛顿：“光是一种细微的光是一种细微的大小不同的而又迅速运动的粒子。大小不同的而又迅速运动的粒子。”光的波动说光的波动说荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想，荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想，惠更斯像胡克：胡克：“光必定是一种振动。光必定是一种振动。”他进一步提出光是发光体中微小粒子的他进一步提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方式与声音类似，而不过程。光的传播方式与声音类似，而不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。动。第10页，本讲稿共21页早期的波动理论缺乏数学基础，还很不完善，而早期的波动理论缺乏数学基础，还很不完善，而牛顿力学正节节胜利。以符合力学规律的行为来牛顿力学正节节胜利。以符合力学规律的行为来描述光学现象，被认为是唯一合理的理论，因此，描述光学现象，被认为是唯一合理的理论，因此，直到直到18世纪末统治地位的依然是微粒学说。世纪末统治地位的依然是微粒学说。第11页，本讲稿共21页19世纪光的波动说的两个英雄：托马斯杨(1773-1829)：英国人，是一位想象力异常丰富的博学通才。1799年在剑桥大学完成学业，获获医医学学学学位位。它它对对眼眼睛睛生生理理学学、解解剖剖学学和和对对颜颜色色的的视视觉觉很很有有研研究究。因因涉涉及及到到人人眼眼对对颜颜色色的的视视觉觉研研究究，故故他他对对光光学学，尤尤其其光光的的波波动动学学说说感感兴兴趣趣。1802年年设设计计了了杨杨氏双缝实验，证明了光的干涉现象。氏双缝实验，证明了光的干涉现象。菲涅耳(1788-1827)：法国工程师。完善了惠更斯理论，法国工程师。完善了惠更斯理论，提出了子波相干的思想，解释了光的衍射现象提出了子波相干的思想，解释了光的衍射现象。第12页，本讲稿共21页托马斯杨(1773-1829)的贡献杨氏双缝干涉：杨氏双缝干涉：杨氏双缝干涉：杨氏双缝干涉：1802年英国物理学家托年英国物理学家托马斯马斯杨设计了杨氏双缝杨设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉实验，证明了光的干涉现象。现象。第13页，本讲稿共21页面面对对牛牛顿顿如如日日中中天天的的气气势势，杨杨以以不不唯唯名名的的勇勇敢敢精精神神说说：“尽尽管管我我仰仰慕慕牛牛顿顿的的大大名名，但但我我并并非非因因此此认认为为他他是是百百无无一一失失的的。我我遗遗憾憾地地看看到到他他也也会会弄弄错错，而而他他的的权权威威有有时时或或许许阻阻碍碍了了科科学学的的进进步步。”小插曲：托马斯小插曲：托马斯.杨由于提出干涉原理受到了一些权威学杨由于提出干涉原理受到了一些权威学者的围攻，其中有一位以牛顿学术权威自居的布劳安攻者的围攻，其中有一位以牛顿学术权威自居的布劳安攻击得最为刻薄，说他的文章没有任何价值，称不上是实击得最为刻薄，说他的文章没有任何价值，称不上是实验，干涉原理是荒唐和不合逻辑的，一二十年，竟没有验，干涉原理是荒唐和不合逻辑的，一二十年，竟没有人理解他的工作，为回驳布劳安专门撰写的论文竟无处人理解他的工作，为回驳布劳安专门撰写的论文竟无处发表，只好印成小册子，小册子出版后，只卖出一本。发表，只好印成小册子，小册子出版后，只卖出一本。第14页，本讲稿共21页菲涅耳(1788-1827)的贡献1819年，菲涅尔和阿喇戈联名发表了年，菲涅尔和阿喇戈联名发表了关于偏振光的相互作用关于偏振光的相互作用菲涅耳的理论菲涅耳的理论泊松的计算泊松的计算阿喇戈的实验找到阿喇戈的实验找到了有利于波动说的泊松亮点。了有利于波动说的泊松亮点。发展了惠更斯和托马斯发展了惠更斯和托马斯.杨的波动理论，成为物理光学杨的波动理论，成为物理光学的缔造者，开创了光学研究的新阶段。的缔造者，开创了光学研究的新阶段。光的波动说战胜粒子说被普遍接受光的波动说战胜粒子说被普遍接受在在1818年法国科学院悬赏征文：年法国科学院悬赏征文：1.利用精密的实验确定光线的衍射效应利用精密的实验确定光线的衍射效应2.根据实验用数学归纳推导出光线通过物体附近根据实验用数学归纳推导出光线通过物体附近时的运动情况。时的运动情况。第15页，本讲稿共21页菲涅耳荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个菲涅耳荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。亮点为泊松亮斑。菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯更斯和托马斯杨的波动理论，成为杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者物理光学的缔造者”。图3激光器小钢珠和载波片屏幕图2图1小钢珠盖玻片金属片第16页，本讲稿共21页光是以光速光是以光速 c 运动的微粒流，称为光量子（光子）运动的微粒流，称为光量子（光子）光子的能量光子的能量四、四、量子光学时期量子光学时期20世纪初，世纪初，爱因斯坦爱因斯坦把光的微粒说与波动说在新的把光的微粒说与波动说在新的层次上统一起来，提出了光具有波粒二象性层次上统一起来，提出了光具有波粒二象性,并为世并为世人所公认。人所公认。第17页，本讲稿共21页从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有光具有“波粒二波粒二相性相性”（Wave-particleduality）。）。光在传播的过程中光在传播的过程中主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现出微粒性出微粒性。第18页，本讲稿共21页量子光学应用第19页，本讲稿共21页光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信光光纤纤通通信信中中信信息息的的载载体体是是光光波波，传传输输媒媒质质是是光光纤纤，从从而而将将信信息息从从一一端端传传向向另另一一端。端。频率越高所能传播的线路越多。频率越高所能传播的线路越多。无线电通讯无线电通讯：3MHZ3MHZ30MHZ 30MHZ 可传可传100100套广播；套广播；300MHZ300MHZ3103105 5MHZMHZ可传可传1101105 5套广播。套广播。激光通讯：激光通讯：频率达频率达10101414HzHz，可传，可传10108 8套广播。套广播。激光的传输速率每秒激光的传输速率每秒622622兆比特，比电传输速率（每秒几万比特）高兆比特，比电传输速率（每秒几万比特）高几个数量级。几个数量级。五、五、现代光学时期：现代光学时期：第20页，本讲稿共21页19661966年由英籍华人高锟提出创意。年由英籍华人高锟提出创意。19671967年，光通过年，光通过100100米的玻璃丝，光能只剩百亿分之一。米的玻璃丝，光能只剩百亿分之一。19701970年美国康宁公司马瑞尔、卡普隆、凯克研制出了第一根实用的光纤。年美国康宁公司马瑞尔、卡普隆、凯克研制出了第一根实用的光纤。19851985年，全世界光纤线路已达年，全世界光纤线路已达455.5455.5万公里。北美和欧洲铺设了长万公里。北美和欧洲铺设了长65006500公里海底光公里海底光缆，可以传输缆，可以传输3600036000路电话。路电话。现正准备花现正准备花150150亿美元，铺设亿美元，铺设3232万公里海底光缆连接万公里海底光缆连接125125个国家。个国家。光纤通信光纤通信19831983年，美国贝尔实验室铺设的纽约到华盛顿间的光缆，年，美国贝尔实验室铺设的纽约到华盛顿间的光缆，14401440芯，直径仅芯，直径仅1313毫米，毫米，可同时通信可同时通信4.64.6万路电话。万路电话。第21页，本讲稿共21页