现代光学工程-绪论

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1、现代光学工程现代光学工程 光学发展回顾光学发展回顾钻石和光钻石和光飞秒飞秒激光束激光束显微目微目镜折射率折射率变化化XYZ台台墨子对光学很有研究，对于光的直线传播、光的反射和若干物影成像，进行了精墨子对光学很有研究，对于光的直线传播、光的反射和若干物影成像，进行了精彩的描述。彩的描述。有一次，墨子进行光学实验，他在堂屋朝阳的地方，让一个人对着小孔站在屋有一次，墨子进行光学实验，他在堂屋朝阳的地方，让一个人对着小孔站在屋外，在阳光的照射下，屋内相对的墙上出现倒立人像。墨子通过小孔成像的光学外，在阳光的照射下，屋内相对的墙上出现倒立人像。墨子通过小孔成像的光学实验，阐述了光的直线传播原理，成为后代

2、摄影技术的先声。实验，阐述了光的直线传播原理，成为后代摄影技术的先声。墨子及其弟子的著作，墨子及其弟子的著作，统称称为墨子墨子。其中。其中经上上，经下下、经说上上、经说下下及及大取大取、小取小取六篇，六篇，专说名名辩和和时间、空、空间、物、物质结构、构、力学、光学、声学、代数、几何等内容力学、光学、声学、代数、几何等内容.光学发展：光学发展：几何光学几何光学南宋程大昌南宋程大昌演繁露演繁露中记载到：中记载到：“凡雨初霁，或露之未晞，余凡雨初霁，或露之未晞，余点缀于草木枝叶之末，欲坠不坠，则皆聚为圆点，光莹可喜。日点缀于草木枝叶之末，欲坠不坠，则皆聚为圆点，光莹可喜。日光入之，五色俱足，闪烁不定

3、。是乃日之光品著色于水，而非雨光入之，五色俱足，闪烁不定。是乃日之光品著色于水，而非雨露有此五色也。露有此五色也。”恩培多克勒（恩培多克勒（Empedocles公元前公元前490-430）和欧几里得）和欧几里得（Euclid,公元前公元前300）关于光学的系统著作。）关于光学的系统著作。法国法国 笛卡儿笛卡儿 16381638年，提出一种无所不在的年，提出一种无所不在的“以太以太”假说，拒绝接受超距作用的解释，坚持认为力只能通假说，拒绝接受超距作用的解释，坚持认为力只能通过物质粒子和与之紧邻的粒子相接触来传播，把热和过物质粒子和与之紧邻的粒子相接触来传播，把热和光看成是以太中瞬时传播的压力。光

4、看成是以太中瞬时传播的压力。屈光学屈光学中提出中提出光的粒子假说，并用以推出光的折射定律。光的粒子假说，并用以推出光的折射定律。斯涅耳斯涅耳（W.Snell,W.Snell,约约1580-1626)1580-1626)、费马费马（P.FermatP.Fermat,1601-1665),1601-1665)英国英国 牛顿牛顿,1704,1704年，年，光学光学一书出版。随着天文学、一书出版。随着天文学、力学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学力学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学.牛顿则持光的微粒说，他认为波动说的最大障碍是不牛顿则持光的微粒说，他认为波动说的最大障碍是不能解释光的

5、直线进行。他提出发光物体发射出以直线能解释光的直线进行。他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射与反射，甚至经过修改也能解释也能解释光的折射与反射，甚至经过修改也能解释F.M.F.M.格里马尔迪发现的格里马尔迪发现的“衍射衍射”现象。现象。光的机械论认识光的机械论认识-粒子光学：粒子光学：惠更斯惠更斯在在1690年出版的年出版的光论光论一书中正式提出了光的波动说，一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推导出光的反射建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推导出光的反射

6、和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作石分子微粒为椭圆形所致。后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了了发展和补充，创立了“惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理”，才较好地解释，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。胡克胡克是光的波动说支持者。是光的波动说支持者。1665年，胡克提出了光的波动说

7、，年，胡克提出了光的波动说，他认为光的传播与水波的传播相似。他认为光的传播与水波的传播相似。1672年胡克进一步提出光年胡克进一步提出光波是横波的概念。波是横波的概念。波动光学波动光学杨氏杨氏（T.YoungT.Young 1773-1829)1773-1829)杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的工作。用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色，了开创性的工作。用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了七种颜色的光的波长，从而完全确认了光并第一个近似地测定了七种颜色的光的波长，从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到了又一个强有力的证据

8、。的周期性，为光的波动理论找到了又一个强有力的证据。菲涅耳菲涅耳(17881827)；菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理为基础，菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯菲涅耳原理。用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯菲涅耳原理。解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论法拉第(1817-1867)法拉第法拉第由于对电磁学作出的贡献而成为由于对电磁学作出的贡献而成为19世世纪最伟大的物理学家之一纪最伟大的物理学家之一。麦克斯韦麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家，建立了第一个完整的是继法拉第之后，集电

9、磁学大成的伟大科学家，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的一次大综合。的本质的统一性，完成了物理学的一次大综合。麦克斯韦麦克斯韦(1831-1879)对于光波的进一步认识对于光波的进一步认识电磁波：电磁波：赫兹赫兹用实验证实了电磁波的存在，赫兹先求出振荡器的用实验证实了电磁波的存在，赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样，电磁波传播的的传播

10、速度。正如麦克斯韦预测的一样，电磁波传播的速度等于光速。速度等于光速。1889年在一次著名的演说中，赫兹明确年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。的指出，光是一种电磁现象。赫兹赫兹(1857-1894)近代和现代光学：近代和现代光学：光谱学光谱学 基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,18241887）本生R.W.Bunsen(18111899)1815年，夫琅和费年，夫琅和费(J.V.Fraunhofer,17871826)开始用分光镜研究开始用分光镜研究太阳光谱中的暗线。太阳光谱中的暗线。量子光学量子光学薛定谔ErwinSchrdinger1887-1961海森伯Wern

11、erKarlHeisenberg1901-1976 尼尔斯玻尔NielsBohr1885-1962普朗克MaxKarlErnstLudwigPlanck1858-1947爱因斯坦爱因斯坦(1879-1955)非线性光学非线性光学1958年，贝尔实验室的年，贝尔实验室的ArthurSchawlow和哥伦比亚大学的和哥伦比亚大学的CharlesTownes发表了发表了“红外线和光激射器红外线和光激射器”这篇论文为后来激光技术和应用领域的这篇论文为后来激光技术和应用领域的发展开辟了道路，发展开辟了道路，1960年，休斯顿航空公司的年，休斯顿航空公司的TheodoreMalman用人造红用人造红宝石制

12、造了一个激光器。宝石制造了一个激光器。20世纪世纪60年代，年代，非线性光学非线性光学光子学（光子学（Photonics）：是以光子作为信息载体的一门系统性科学：是以光子作为信息载体的一门系统性科学 研究光子与物质相互作用、光子的本质，以及光子的研究光子与物质相互作用、光子的本质，以及光子的产生、传播、探测等微观机制。产生、传播、探测等微观机制。p 光子学器件光子学器件p 光通信光通信 p 光存储光存储 p 光信息处理和计算光信息处理和计算 n几何光学几何光学n物理光学（波物理光学（波动光学）光学）n晶体光学晶体光学n光光纤光学（光学（导波光学）波光学）n大气光学（空大气光学（空间光学）光学）n海洋光学海洋光学光学的研究内容光学的研究内容本课程学习内容：本课程学习内容：几何光学基本定律几何光学基本定律 球面光学成像系统球面光学成像系统 平面光学成像系统平面光学成像系统 光束限制与光阑光束限制与光阑 像差理论像差理论 典型光学系统典型光学系统 辐射光学基本概念辐射光学基本概念几何光学与成像理论几何光学与成像理论本课程学习内容：本课程学习内容：光的电磁理论光的电磁理论 光的干涉光的干涉 光的衍射光的衍射 光的偏振光的偏振物物 理理 光光 学学