基础光学(赵凯华版)Chap1 Introduction
赵凯华光学1079186849178
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绪
论
把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论，圆满解释了光电效应， 并为后来的许多实验例如康普顿效应所证实。1924年德布罗意（L.V.de Broglie，1892- ）创立了 物质波学说。他大胆地设想每一物质的粒子都和一定的波相联系 ，这一假设在1927年为戴维孙 （C.J.Davisson，1881-1958）和革末（L.H.Germer，1896-1971年）的电子束衍射实验所证实。 2.5现代光学时期 从本世纪六十年代起，特别在激光问世以后，由于光学与许多科学技术领域紧密结合、相互渗 透，一度沉寂的光学又焕发了青春，以空前的规模和速度飞速度飞速发展，它已成为现代物理学和 现代科学技术一块重要的前沿阵地，同时又派生了许多崭新的分支学科。 1958年肖络（A.L.Schawlow）和汤斯（C.H.Townes）等提出把微波量子放大器的原理推广到光 频率段中去，1960年梅曼（T.H.Maiman，1927- ），首先成功地制成了红宝石激光器。自此以后， 激光科学技术的发展突飞猛进，在激光物理、激光技术和激光技术和激光应用等各方面都取得了巨 大的进展。同时全息摄影术已在全息显微术、信息存贮、象差平衡、信息编码、全息干涉量度、声 波全息和红外全息等方面获得了越来越广泛的应用。光学纤维已发展成为一种新型的光学元件，为 光学窥视（传光传象）和光通讯的实现创造了条件，它已成为某些新型光学系统和某些特殊激光器 的组成部分。可以预期光计算机将成为新一代的计算机，想象中的光计算机，由于采取了光信息存 储，并充分吸收了光并行处理的特点，它的运算速度将会成千倍地增加，信息存储能力可望获得极 大的提高，甚至可能代替人脑的部分功能。总之，现代光学与其他科学和技术的结合，已在人们的 生产和生活中发挥着日益重大的作用和影响，正在成为人们认识自然、改造自然以及提高劳动生产 率的越来越强有力的武器。
光学 赵凯华 习题解答
《光学》赵凯华 （钟锡华）习题解答第一章P23—5 （1-4）证一： 对平行平板上下表面分别两次运用折射定律，并考虑到平板上下是同一介质，便可证明最后出射光线与当初入射光线的方向一致。
根据几何关系可得侧向位移量为)cos sin cos (sin 2211 )sin cos cos (sin cos )sin(211221i i i i t i i i i ti i AB X −=−=−=Δ122i折射定律 sini =nsini 在i 2<i 1<<1的条件下, 取小角近似 sini 1≈i 1,cosi 1≈cosi 2≈1于是有 n n X 1−≈Δt i 1证二：)1())sin(11n n t l x ()sin(cos 11t t−=−−=θθθθ=−=θθθθP23—7（1-6）证一：由于光线垂直入射，故光线在第一个界面不发生折射，仅在第二个界面有折射。
如图， 根据折射定律 nsini 2=sini ’2 以及几何关系 i 2=α, 故 nsinα=sini ’2当α很小时, 有sinα≈α,sini ’2≈i ’2 则上式可写成nα=i ’2所以偏向角为αααδ)1(2'2−=−=−=n n i i这个近似公式, 在干涉、衍射、偏振中经常要用到, 我们应当记住。
证二：αααα+δ+⇒δ=)sin(n →sin （当0α时）得出：δα)1(−n＝P23—11（1-10）解：设棱镜的折射率为n ，水的折射率为n ’，先求得n=60.15023550sin=+D DD 2sin再由 n=n ’2sin2sin αα+δm 得D25sin 33.160.1sin=+2sin 2′=αδαn nm'132305080.0sin 2D ==+−mδα最后求出此棱镜放在水中的最小偏向角为'411D =m δp23—14（1-13）解 ：根据折射定律，得到n 0sin22111sin 1sin θθθ−=n n 21'1cos θ==n 因为光线在玻璃芯和外套的界面上发生全反射的条件为sin122n n ≥θ所以，欲使光线在纤维内发生全反射，1θ必需满足n 0sin2121)(1n n n −1≤θ故数值孔径为 n 0sin221n n −=θ'sin sin i DEF n g =∠n g DEF EDF ∠−=∠D90n n g 21光导纤维的数值孔径反映集光本领，是导光传象的重要性能参数之一。
《基础光学》课件
光纤通信技术已经广泛用于互联网数据传输和长距离通讯领域，并随着科技进步和技术更新 不断发展创新。
激光科学和应用
相关领域
激光应用涵盖了生物医学、制造工艺、能源、环境、 文化艺术等各种领域，具有重要的经济和科学价值。
应用举例
激光的应用很多，包括激光打印机、激光制导系统、 激光测距仪、激光雕刻等等都是用激光科技实现的 现实生产和创新领域。
3
波动理论
了解光的波动性是探究光学奥秘中必不 可少的一步，还可以帮助我们理解干涉、 衍射现象。
波粒二象性
通过深入理解光的波动性和粒子性，我 们将会发现光体现出独特的波粒二象性。
光的干涉和衍射
干涉现象
光的干涉现象和干涉公式是光学中的重要部分，发 挥着重要作用。
衍射现象
光的衍射是一种重要的物理现象，应用于光栅、衍 射仪等。了解衍射现象有助于我们研究和理解更多 光学知识。
《基础光学》PPT课件
通过本文，您将学到光学的定义和作用，光的传播与折射，光的反射和成像， 光的波动性和粒子性，光的干涉和衍射，光的偏振，光学仪器和设备，光纤 通信技术，激光科学和应用。
光的传播与折射
作用原理
光线传播是基础光学的基础，了解光线的传播过程 和折射原理对理解后续内容很重要。
折射现象
光线穿过不同介质时的折射现象被广泛应用于晶体 分析、显微镜和人眼视觉等领域，有丰富而奇妙的 物理现象。
光的反射和成像
镜面反射
了解镜面反射的基本原理有助于解释成像现象， 并广泛应用于光学仪器和现代科技。
成像定律
光的反射与折射定律是光学中重要的数学工具， 通过对定律的应用和理解实现对成像原理的掌 握。
光的波动性和粒子性
1
赵凯华光学mechanicalwave
线度与波长相比较，线度比波长小。
对一定波长的波，线度小，衍射现象明显 线度大，衍射现象不明显 30
波的衍射
水波通过窄缝时的衍射
31
衍射：受限的尺度与波长相比
广播和电视
障
哪个更容易
碍
收到?
物
容易听到男 士还是女士 说话声音？
32
2. 用惠更斯作图法导出光的折射定律 法线
¾ 作图步骤： ¾ 导出折射定律
几种波速：
纵波：u// =
E
ρ
E——弹性模量
横波：u⊥ =
G
ρ
弦上横波：u = T η
G ——切变模量
T ——弦线张力 η——弦线密度
流体内的波：u = B ρ
B ——容变模量
18
波动方程：
∂2ξ
∂x2
=
1 u2
∂2ξ
∂t 2
∇ 2ξ
=
1 u2
ξ
对于不同介质或不同波，波速 三维空间波动方程
u
值不同。
27
2、惠更斯原理 基本内容： 子波概念：波面上任一点都是新的振源——子波源
发出的波称为子波 子波面的包络面——新波前 t 时刻各子波波面的公共切面（包络面） 就是该时刻的新波面 作用：已知一波面就可求出任意时刻的波面
28
例： 波在各向同性介质中传播
t 时刻 t+Δt时刻
波面
波面
·
u
· ·
·
·
波传播方向
Δx)
Δx
−φ
(
x)
φ′( x) Δx + φ ( x) 所以 F
=
ES
⋅
∂2ξ
∂x2
⋅
基础光学(赵凯华版)课件Chap3_Interference
can use sin or cos to describe a wave
wave equation using complex numbers
9
The complex number math
ei cos i sin
e i cos i sin
cos
ei e i ei e i , sin 2 2i
~z rcos i sin
Euler formula: ei cos i sin Any complex number: ~z rei
Argand diagram
3D plane wave: r , t A sin k r t ' A cos k r t
3. 条纹间距
获得干涉的方法：将相干光源发出的光分成两部 分，再使它们叠加。
分波面法 p S* S* 分振幅法
· p
14
薄膜
二、杨氏双缝实验
1. 双缝实验的强度分布
屏幕远离光源： D d x d D
I 2 I 0 1 cos k 1 r r2 , k 2 / L r1 r2 d sin d tan dx / D kd 2 d x x I 2 I 01 cos 4 I0 cos2 , D 2 D k i r t Ae Convention - use cos: r , t Re A cos k r t i k r t i r Usually omit ‘Re’: r , t Ae Ae
5
The superposition principle
赵凯华光学非线性光学_1
非线性光学Nonlinear Optics绪论叶佩弦，1934 -，中国科学院物理研究所研究员绪论§0光学的发展1.几何光学：反射、折射2.波动光学：衍射、干涉3.非线性光学4.量子光学：…..绪论线性光学1.光束在空间或介质中的传播是互相独立的，几个光束可以通过光束的交叉区域继续独立传播而不受其他光束的干扰；2.光束在传播过程中，由于衍射、折射和干涉等效应，光束的传播方向会发生改变，空间分布也会有所变化，但光的频率不会在传播过程中改变；3.介质的主要光学参数，如折射率、吸收系数等，都与入射光的迁都无关，只是入射光的频率和偏振方向的函数。
绪论非线性光学1.介质被激光照射，可以产生新频率的光束2.两个光束在传播过程中经过交叉区域后，其强度会互相传递，此消彼长3.介质的光学参数随入射光强变化……Bloembergen:凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的线性函数，都属于非线性光学效应的范畴绪论§1、光场中的非简谐振子Anharmonic Oscillator1.简谐振子模型简谐振子在外力作用下的运动方程振子质量本征频率衰减系数外力回复力mωΓmFf =xm 20ω−)1.1(2022F x x dt d x dt d =+Γ+ω绪论§1、光场中的非简谐振子物理表示：外场下原子中的电子运动模型1）无外场，无衰减情况下电子以频率ω在原点附近的x 方向上作周期振动2）外加光场其解为：表示电子在原点附近作受迫振荡12cos ()i t i t E t e e ωωεωε−==+2/()q i ti tf mm F qE m ee ωωε−===+()..x x c c ω=+2220()qi t mx ei εωωωωω⋅=−−Γ绪论§1、光场中的非简谐振子单个原子的电子：电偶极矩对于介质，电极化强度：与外场的振幅成正比若存在多个不同频率的外场，则产生的电极化强度为不同频率的加，不存在交叉项。
光学第一章光的干涉含绪论文稿演示
A、琼森和李普塞：发明并制造了世界上第一台望远镜。 B、冯特纳：发明并制造了世界上第一台显微镜。
C、费马：提出了几何光学的基本原理—费马原理，由它可导出直线传 播定 律、反射定律、折射定律和面镜、透镜成象规律。
D、牛顿：建立了光是微粒流的微粒学说，进行了白光通过棱镜的实
验，提出了光谱、光强、颜色等概念，观察并研究了牛顿环。
第0章 绪 论
§0-1 光学的研究内容和方法
一、什么是光学（光学研究的内容）？
光学是普通物理学的重要组成部分,是研究光的本性、光的传播和光与其它 物质的相互作用（如光的吸收、散射和色散，光的机械作用和光的热、电、化 学和生理效应等），以及光在生产和社会生活中的应用的一门基础科学。
二、光学研究的方法
在观察和实验的基础上，对光学现象进行分析、抽象和综合， 进而提出假说，形成理论，并不断反复经受实践的检验。
三、光学的分类
1、几何光学：以光的直线传播为基础，研究光在介质中的传播和成象规律的学科。
2、波动光学：以光的波动性为基础，研究光的干涉、衍射和偏振现象和规律的学科
3、量子光学：以光的粒子性（量子性）为基础，研究光与物质的相互作用规律的 学科。
B、欧几里德：（公元前330—公元前275年）， 在其著作 《光学》一书中提出 触须学说：如下图所示
⑴正确反映了光的直线传播规律 ⑵错误：人眼能发出光线
二、几何光学时期：十六光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器，
建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、 光强、颜色等概念，并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象，建立、巩固 和发展了牛顿微粒学说。同时，波动理论开始盟芽。
第一章 光的干涉
丰富多彩的干涉现象
基础光学(赵凯华版)课件Chap4 Diffraction
光程差为
缝平面 透镜L
a sin
透镜L B
0， 0
S
*
a
—— 中央明纹（中心） f
Aδ
I p
f
（p点明亮程度变差）
观察屏
·p
0
26
§4.4 单缝夫琅禾费衍射
▲ 当 a sin 时，可将缝分为两个“半波带”
B 半波带 a 半波带
C
A
xsin
观测屏
p
0z f
E( p) C F ( )E(Q) eikr dS
r
33
§4.4 单缝夫琅禾费衍射
考虑近似
对于平行光垂直入射，倾斜因子F() 1
狭缝a很小，E(Q)处处相等，为常数
r =r0+r r0 (Fresnel衍射没有此近似)
e e e ikr
sin单缝衍射因子49多缝衍射多缝衍射50是它的单缝衍射振幅而另一个缝的衍射振幅为若把坐标原点放在第一个缝的中心sinsin51夫琅禾费四缝衍射光强分布夫琅禾费四缝衍射光强分布sinsin夫琅禾费双缝衍射光强分布夫琅禾费双缝衍射光强分布多缝衍射与双缝衍射的包络线相同强度分布中保留了单缝衍个主极大之间出现n1个光强为零的极小值和n2个次峰值次极大
对于近轴近似，
角宽度
0
2 1
2
a
衍射屏 透镜
x2
x1
1
0
0
x x0
I
中央亮纹的边缘对应的衍射
角1，称为中央亮纹的半角宽
f
线宽度
x0
2f
tg 1
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1光学2009.02~2009.06教师简介•董建文–2003年理学学士中山大学物理学系光信息–2000-03年辅修中山大学信科学院计算机系–2003-07 光学博士光电材料与技术国家重点实验室–2007年助理研究员香港科技大学物理系•办公室：南校区激光所403•Phone: (020)84111469,84037563-8403•E-email：dongjwen@ •Homepage: /dong/•Course website: http://202.116.84.117:403/2课程提纲（Syllabus ）1.引言（Introduction）2.几何光学（Geometrical Optics）3.光的干涉（Interference）4.光的衍射（Diffraction）5.光的偏振（Polarization）6.光的吸收、散射、色散（Absorption,Scattering, Dispersion）7.光的量子现象（Quantum of the light）8.激光（Laser）9.现代光学进展（Progresses of Optics）包括：全息（Holography），光子晶体与负折射率材料(Photonic crystals & Negative refraction metamaterials)，量子光学11(Quantum Optics)12参考书（Reference Texts ）•《光学》，赵凯华钟锡华，北京大学出版社•《光学》章志鸣等编著，高等教育出版社•《基础光学》，李良德，中山大学出版社•《普通物理学教程——光学》，易明，高等教育出版社•Principles of Optics 7th edition, Born & Wolf, Cambridge•课程要求成绩考核•课堂笔记•平时作业25%•考试成绩20%(Midterm) + 45%(Final)•严肃纪律(点名) 10%•课程网址：http://202.116.84.117:403/第1章引言§1.1 光学发展史1.中国古代它是一门古老的学科。
早在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》：“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。
13最早的光学实验•世界上最早的光学实验，是我国二千四五百年前，由杰出科学家墨翟和他的学生进行的。
•在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影。
为什么会出现这奇怪的现象呢?•墨家解释说，这是因为光线像射箭一样，是直线进行的。
人体下部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成了倒立的影。
并且还指出，人的位置离墙壁由远及近，暗室里的影也由小变大，倒立在墙上。
这在世界上是对光直线传播的第一次科学解14释。
第1章引言§1.2 世界史•欧几里德（Euclid, 330～275B.C.，希腊人）在光学一书中，对平面镜成像进行了研究，并且指出反射角与入射角相等的关系。
•长期以来，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。
151617th century: optics takes off •1621: 折射定律Law of Refraction,Willebrord Snell (Holland)•1664: 干涉interference:color in thin films, Robert Hooke (England)light is a rapid vibratory motion in media•1665: 衍射diffraction,Francesco Grimaldi (Italy)•1677: wave theory,Christiaan Huygens (Holland)•1704: particles , Isaac Newton (England)Progress in optical instrumentation:refracting telescope, compound microscope Lecture 117•光一直是哲学家和科学家们感兴趣的话题。
•早期的光学研究：几何光学（直线传播、反射、折射、镜面成像、透镜成像等问题），但不涉及光电本质。
•笛卡尔首先提出了关于光本性的两种假说，一种认为光是类似于微粒的一种物质，另一个认为光是一种以“以太”为·煤质的压力。
牛顿在剑桥大学时进行光学实验1819•惠更斯认为，光以球面波的形式连续传播。
在烛光中的每一个小区域都能以该区域为中心产生其本身的球面波。
20212223•代表人物–胡克（R. Hooke ）–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ether）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。
波动说Wave theory24微粒说Corpuscular theory •代表人物:–笛卡尔（R. Descartes ）–牛顿（I. Newton）•其认为：•发光物体都发射光微粒，这些微粒遵守力学定律，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。
25Particles or waves?Christiaan Huygens1629 –1695Isaac Newton1643 –17271704年版《光学》扉页26惠更斯（Christiaan Huygens)的几大成就•土星环•土卫六（泰坦）•波动说的惠更斯原理•摆钟的发明27…18th century…Corpuscular theory prevailsWave theory is forgotten…2819th century～1801年 杨氏 （Thomas Young , 英国人） 双缝实验证实了光的干涉现象， 这是波动说才能解释的現象。
2919th century• 1814, Frensel (France) 重新做了“光的绕(衍)射实 验”，进一步证明波动说。
1. 2. 3.皆有可能3019th century: Maxwell~1864: Maxwell introduced four equations that described all known electro-magnetic phenomena and showed theoretically that an electromagnetic pulse or wave, moving in space, could exist.∆Φ E = ∑ E⊥ A =Maxwell’s equationsq∆Φ B = ∑ B⊥ A = 0ε0E = ∑ E||l = −∆Φ E ⎞ ⎛ ∑ B||∆l = µ0 ⎜ I + ε 0 ∆t ⎟ ⎝ ⎠∆Φ B ∆tSurprisingly, he found that this EM-wave must move at a speed of 300,000 km/s - i.e. speed of light! Maxwell suggested that light is an electromagnetic wave3119th century: HertzIn 1886 Heinrich Hertz experimentally proved the electromagnetic wave nature of light"It's of no use whatsoever,“ "This is just an experiment that proves Maestro Maxwell was right - we just have these mysterious electromagnetic waves that we cannot see with the naked eye. But they are there.“1857 - 189432EM wave transmitterEM wave receiver以太 ether• 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)。
• •Q: 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，使以太论最终抛弃。
• 1905年，Einstein提出狭义相对论，否定了以太的存在。
他 认为光是电磁波，在真空中传播不需要什么媒体，并假设出 光在真空中的传播速度（～3×108 m/s）和质能关系（E = mc2）。
3320th centuryDifficulties! Wave theory cannot explain: - 黑体辐射 black body radiation spectrum - 光电效应 photoelectric effect - 康普顿效应 Compton effect3420th century: The birth of quantum theory1900: To explain black body radiation, Planck suggested that energy of light consists of quantaEphoton = hνMax Karl Ernst Ludwig PlanckPlanck’s constant frequency1905: Albert Einstein proposed that light consists of particles (光子 photons) that have energy and momentum depending on frequency Special theory of relativity: speed of light in vacuum is the same in all inertial reference systems (光速不变性)3520th century: quantum theoryQuantum nature of light is pronounced at low light intensities Light: dual nature, both wave and particle In this course, we will mostly work in the frame of classical EM wave theory of light36第1章 引言§1.2 光是一种电磁波• 特定波段的电磁波粒 子 性 显 著波 动 性 显 著37• 对人的视觉起作用的电磁波称为可见光。