物理光学梁铨廷第四版课件.ppt
波动光学广州大学物理与电子工程学院广州大学物理与电子工程学院刘翠红刘翠红 陈志峰陈志峰光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科 波动光学波动光学的基础：的基础：经典电动力学的麦克斯韦方程组经典电动力学的麦克斯韦方程组 波动光学并不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，波动光学并不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于而侧重于解释光波的表现规律解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中媒质和各向异性媒质中传播传播时现象，以及光在媒质界面附近时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。电场和磁场对光的现象的影响。前言前言一、一、研究对象和内容研究对象和内容一、一、研究对象和内容研究对象和内容1.1.传统内容主要有：传统内容主要有：光的干涉、衍射和偏振现象光的干涉、衍射和偏振现象，光在各向同性介质中的传播规律（光在各向同性介质中的传播规律（包括光的反射和包括光的反射和折射，光的吸收、色散和散射规律折射，光的吸收、色散和散射规律），光在各向异），光在各向异性晶体中的传播规律等性晶体中的传播规律等，以及在各领域中的应用。，以及在各领域中的应用。2.2.近代发展近代发展的的内容内容：薄膜光学理论薄膜光学理论、全息照相全息照相、光光学信息处理学信息处理.二二、波动波动光学的应用光学的应用 波动波动光学是一门应用性很强的学科。特别是激光光学是一门应用性很强的学科。特别是激光问世后问世后，它在科学技术各领域中的应用十分广泛，尤，它在科学技术各领域中的应用十分广泛，尤其在生产和国防上有着重要的应用。其在生产和国防上有着重要的应用。今天，它已经被应用到今天，它已经被应用到通信、医疗、受控热核反通信、医疗、受控热核反应、航天、信息处理等高新技术领域应、航天、信息处理等高新技术领域，为科学技术的，为科学技术的发展、生产的发展和巩固国防做出贡献。发展、生产的发展和巩固国防做出贡献。在精密测量方面，各种光学零件的表面粗糙度、在精密测量方面，各种光学零件的表面粗糙度、平面度，以及长度、角度的测量，至今最精确的仍然平面度，以及长度、角度的测量，至今最精确的仍然是是波动波动光学方法。光学方法。二二、波动波动光学的应用光学的应用 另外，还用另外，还用波动波动光学方法测量光学系统的各种像光学方法测量光学系统的各种像差，评价光学系统的成像质量等。差，评价光学系统的成像质量等。以以光光的的干干涉涉原原理理为为基基础础的的各各种种干干涉涉仪仪器器，是是光光学学仪仪器器中中数数量量颇颇多多且且最最为为精精密密的的一一个个组组成成部部分分。根根据据衍衍射射原原理理制制成成的的光光栅栅光光谱谱仪仪，在在分分析析物物质质的的微微观观结结构构（原原子子、分分子子结结构构）和和化化学学成成分分等等方方面面起起着着最最为为主主要要的作用。的作用。近近几几十十年年来来，由由于于现现代代光光学学的的崛崛起起，发发展展了了一一批批新新型型的的光光学学仪仪器器，如如相相衬衬显显微微镜镜、光光学学传传递递函函数数仪仪、傅傅里里叶叶变变换换光光谱谱仪仪，以以及及各各种种全全息息和和信信息息处处理理装装置置、电电光光和和光光电电转转换换（光光电电池池、CCDCCD）装装置置、激激光光器器等等。它它们们在在物物质质结结构构分分析析、光光通通信信、光光计计算算（光光学学计计算算机机）、成成像像和和显显示示技技术术、材材料料加加工工、医医学学和和军军事事等等方方面面的的应应用用越越来来越越重重要。要。因此，因此，学好本课程对于本专业学生的专业发展十分重要学好本课程对于本专业学生的专业发展十分重要！二二、波动波动光学的应用光学的应用激光原理激光原理 光电子技术光电子技术光信息处理技术光信息处理技术 光纤通信光纤通信 光纤通信实验光纤通信实验 激光技术实验激光技术实验光电子技术综合实验光电子技术综合实验与之相关的后续课程与之相关的后续课程光电成像原理与技术光电成像原理与技术 光电检测与信号处理光电检测与信号处理 光纤传感技术光纤传感技术 激光光谱学激光光谱学三、波动光学发展历史三、波动光学发展历史 光学的萌芽时期可以追溯到光学的萌芽时期可以追溯到20002000多年前，墨子多年前，墨子在所著的在所著的墨经墨经中记载了中记载了光的直线传播、小孔成光的直线传播、小孔成像像等光学规律；古希腊欧几里德（等光学规律；古希腊欧几里德（EuclidEuclid）在其著）在其著作中也有光的直线传播和作中也有光的直线传播和反射定律反射定律的记载。的记载。不过，对光的物理本性进行认真研究却是从不过，对光的物理本性进行认真研究却是从1717世纪开始的。当时，有两种关于光的本性的说法：世纪开始的。当时，有两种关于光的本性的说法：以牛顿为代表的以牛顿为代表的微粒说微粒说和以惠更斯为代表的和以惠更斯为代表的波动说波动说。三、波动光学发展历史三、波动光学发展历史 微粒说微粒说：认为光是具有有限速度的粒子流。：认为光是具有有限速度的粒子流。波动说波动说：认为光是在：认为光是在“以太以太”（一种假想的（一种假想的弹性媒质）中传播的波（机械波）。弹性媒质）中传播的波（机械波）。由于当时牛顿在物理学界享有至高无尚的权由于当时牛顿在物理学界享有至高无尚的权威，人们普遍地接受光的微粒说。威，人们普遍地接受光的微粒说。三、波动光学发展历史三、波动光学发展历史 直到直到1919世纪前半叶，一连串的实验事实和根据世纪前半叶，一连串的实验事实和根据波动说对这些实验的成功解释，才使人们完全地抛波动说对这些实验的成功解释，才使人们完全地抛弃微粒说，确信光的波动说。弃微粒说，确信光的波动说。这些实验包括：这些实验包括：杨氏和菲涅耳等人的干涉实验、杨氏和菲涅耳等人的干涉实验、衍射实验、马吕斯的反射光偏振实验以及傅科测量衍射实验、马吕斯的反射光偏振实验以及傅科测量水中光速实验水中光速实验（结果是水中光速小于空气中光速）。（结果是水中光速小于空气中光速）。这样，在这样，在1919世纪，光的本性问题似乎最后被解世纪，光的本性问题似乎最后被解决了。决了。然然而而惠惠更更斯斯，菲菲涅涅耳耳等等人人的的波波动动说说在在光光波波的的传传播媒质播媒质“以太以太”问题上却遇到了困难。问题上却遇到了困难。为为了了说说明明光光具具有有极极大大传传播播速速度度的的实实验验事事实实，必必须须假假想想“以以太太”的的一一些些奇奇特特性性质质：密密度度极极小小和和弹弹性性模模量量极极大大。这这显显然然是是荒荒谬谬的的，同同时时也也表表明明物物理理光光学学的基础还停留在不能令人满意的状态。的基础还停留在不能令人满意的状态。这这种种状状态态的的改改变变一一直直延延续续到到1919世世纪纪6060年年代代，麦麦克克斯斯韦韦在在总总结结前前人人在在电电磁磁学学方方面面的的研研究究成成果果的的基基础础上上，建建立立起起一一套套完完整整的的电电磁磁场场理理论论。他他预预言言了了电电磁磁波的存在，并指出波的存在，并指出光是一种波长很短的电磁波光是一种波长很短的电磁波。三、波动光学发展历史三、波动光学发展历史 由于按照光的电磁波理论去阐明光学现象非常成由于按照光的电磁波理论去阐明光学现象非常成功，功，也由于后来的也由于后来的迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验否认了否认了“以太以太”的存在，所以人们就自然地放弃了惠更斯、菲涅耳的存在，所以人们就自然地放弃了惠更斯、菲涅耳的机械波理论，而接受光的电磁波理论。的机械波理论，而接受光的电磁波理论。历史表明，建立在电磁波理论基础上的物理光学历史表明，建立在电磁波理论基础上的物理光学学说是物理光学发展进程中的一个重大飞跃。学说是物理光学发展进程中的一个重大飞跃。波动光学在波动光学在2020世纪，尤其在激光问世后，更得到世纪，尤其在激光问世后，更得到长足的发展。长足的发展。三、波动光学发展历史三、波动光学发展历史反射、折射反射、折射反射、折射、干涉、衍射反射、折射、干涉、衍射粒子性粒子性（牛顿微粒说）（牛顿微粒说）波动性波动性（惠更斯波动说）（惠更斯波动说）波粒二象性波粒二象性波动性波动性（麦克斯韦、赫兹（麦克斯韦、赫兹 光的电磁理论）光的电磁理论）粒子性粒子性（爱因斯坦、康普顿（爱因斯坦、康普顿 光子说）光子说）四四、本课程主要内容、本课程主要内容v 光的电磁理论光的电磁理论v 光的干涉光的干涉及应用及应用 v 光的衍射光的衍射与现代光学与现代光学 v 光的偏振和晶体光学光的偏振和晶体光学器件器件 五五、参考、参考教材教材1.1.物理光学物理光学（第四版）（第四版）梁铨廷梁铨廷 电子电子工业出版社工业出版社 201220122.2.物理光学物理光学简明教程简明教程 梁铨廷梁铨廷 刘翠红刘翠红 电子电子工业出版社工业出版社 201020103.3.物理光学学物理光学学习指指导与与题解（第解（第2 2版）刘翠版）刘翠红 电子子工工业业出版社出版社 20132013一、主要教材一、主要教材1.赵凯华,钟锡华,光学光学（上、下）（上、下）,北京：北京大学出版北京：北京大学出版社社,2008,20082.母国光,战元龄,光学光学,北京：人民教育出版社北京：人民教育出版社,1979,19793.曲林杰等物理光学物理光学，北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，198019804.4.叶玉堂叶玉堂 光学教程光学教程，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社5.章志鸣等，光学光学,北京：北京：高等教育出版社，高等教育出版社，200920096.M.玻恩，E.沃耳夫光学原理光学原理（第七版）（第七版）,杨葭荪译杨葭荪译 北京：北京：电子工业出版社电子工业出版社,2009,20097.A.加塔克，光学，光学，梁铨廷等译，机械工业出版社，19841984 A.A.加塔克加塔克 OpticsOptics（第四版）清华大学出版社（第四版）清华大学出版社 201020108.J.P.马蒂厄，光学（上、下）光学（上、下），19871987二、参考教材二、参考教材六、参考网站六、参考网站国内国内 光谷光谷社区社区http:/http:/光电光电工程师社工程师社区区htthtt 飞达光学网飞达光学网 http:/http:/松铖松铖光学光学http:/http:/激光世界激光世界 http:/http:/中国光学薄膜在线中国光学薄膜在线 http:/whttp:/w 中国光学光电子行业中国光学光电子行业网网http:/http:/中国光学期刊网中国光学期刊网 国外国外 光学快报光学快报（期刊中心）（期刊中心）htht httphttphttp:/http:/http:/ahttp:/a （MITMIT光物理实验室）光物理实验室）（英国（英国University of GlasgowUniversity of Glasgow）(光、电信号处理英文教程光、电信号处理英文教程)http:/cord.org/cm/new/viewleot.htmhttp:/cord.org/cm/new/viewleot.htm（激光，光电英文教程）（激光，光电英文教程）hicslab/Resources/tutorial/Alignment/alignment_tutorial.hhicslab/Resources/tutorial/Alignment/alignment_tutorial.htmtm（在线教程）（在线教程）（在线教程）（在线教程）
