第16波动光学

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1、第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 第16章波动光学第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 2 时期 阶段 实验 理论 代表人物萌芽远古-16世纪 (简单) 光学元件反射定律 欧几里德（前33-前275）几何17-18世纪 望远镜和 显微镜(合)折射定律 开普勒/笛卡儿斯涅耳/牛顿波动19世纪杨氏/马吕斯波长/声速光的电磁理论量子19世纪末-20世纪中叶 黑体/光电康普顿效应波粒二象性物质波爱因斯坦/麦克斯韦/普朗克现代20世纪中叶-现代 激光/传递函数/全息光的受激辐射肖洛等光学发展史的五大阶段 杨氏/菲涅耳马吕斯第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 3(1)(1)古代元气

2、说古代元气说 （公元前（公元前400多年的多年的墨经墨经）光，即火。火属五行之一，五行生于元气，故光生光，即火。火属五行之一，五行生于元气，故光生于元气。发光谓之吐气，受光谓之含气。于元气。发光谓之吐气，受光谓之含气。光的本性光的本性 第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 4（2）十七世纪 微粒说与波动说之争 牛顿的微粒说牛顿的微粒说 惠更斯的波动说惠更斯的波动说 第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 5 光是一种高速运动着的光是一种高速运动着的微粒流微粒流。 微粒说微粒说能够能够很好地解释很好地解释光在均匀介质中的直线传播以及在光在均匀介质中的直线传播以及在两种介质分界面上的两种

3、介质分界面上的反射规律反射规律，但在解释，但在解释折射折射现象时，会得出现象时，会得出与实际情况与实际情况相反相反的结果的结果光在密介质中的速度应大于疏介质光在密介质中的速度应大于疏介质中的，并且中的，并且微粒说也不能解释光的干涉、衍射和偏振微粒说也不能解释光的干涉、衍射和偏振等现象。等现象。 牛顿的微粒说牛顿的微粒说 光是在充满整个空间的特殊介质光是在充满整个空间的特殊介质“以太以太”中传播的某种中传播的某种弹性波，弹性波，因此服从波动的传播规律因此服从波动的传播规律惠更斯原理。惠更斯原理。利用利用惠更斯惠更斯原理不仅能够正确解释光的原理不仅能够正确解释光的直线传播和反射直线传播和反射定律定

4、律，也能够正确解释，也能够正确解释光的折射定律及双折射光的折射定律及双折射现象。现象。惠更斯的波动说惠更斯的波动说 第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 6分歧的焦点：分歧的焦点：光在水中的速度光在水中的速度1850年佛科（年佛科（Foucauld）测定）测定空气水vv微粒说开始瓦解微粒说开始瓦解第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 7(3)(3)光的机械波动说（光的机械波动说（1919世纪初世纪初-后半世纪）后半世纪）设计了双平面镜和双棱镜干涉实验，进一步证实设计了双平面镜和双棱镜干涉实验，进一步证实了杨氏关于双孔干涉现象解释的正确性；发现并解释了杨氏关于双孔干涉现象解释的正确性

5、；发现并解释了菲涅耳衍射；总结出了菲涅耳公式及菲涅耳方程。了菲涅耳衍射；总结出了菲涅耳公式及菲涅耳方程。杨氏（杨氏（T. Young）双孔干涉实验）双孔干涉实验分别通过两个小孔的两束光在屏幕上的重叠区分别通过两个小孔的两束光在屏幕上的重叠区域内形成一组明暗相间的条纹。域内形成一组明暗相间的条纹。包含了光波波长的包含了光波波长的概念，并初步测定出了光波波长的大小。概念，并初步测定出了光波波长的大小。菲涅耳（菲涅耳（A. J. Fresnel）对光的波动说的贡献）对光的波动说的贡献性质：弹性机械波，在机械性质：弹性机械波，在机械以太以太中传播。中传播。第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 8

6、蝉翅在阳光下蝉翅在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下蜻蜓翅膀在阳光下白光下的油膜白光下的油膜第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 9(4)(4)光的电磁说（光的电磁说（1919世纪的后半期世纪的后半期-）得出了著名的麦克斯韦方程组，预言出电得出了著名的麦克斯韦方程组，预言出电磁波的存在，并且推算出电磁波在真空中的传磁波的存在，并且推算出电磁波在真空中的传播速度与测量到的光速值极为接近，进一步预播速度与测量到的光速值极为接近，进一步预言光是一种电磁波动，诞生了光的电磁理论。言光是一种电磁波动，诞生了光的电磁理论。 赫兹（赫兹（H. R. Hertz）通过一系列实验于）通过一系列实验于1888年证实了电

7、磁波的存在。年证实了电磁波的存在。麦克斯韦（麦克斯韦（J. C. MaxwellJ. C. Maxwell）的贡献：）的贡献：电磁波的实验证实：电磁波的实验证实：第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 10电磁波谱电磁波谱 可见光的波长范围： 400 nm 760 nm 第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 11为寻找为寻找“以太以太”介质，迈克耳孙（介质，迈克耳孙（A. A. Michelson）和莫雷（）和莫雷（E. W. Moley）于）于1887年设计出一台精密的干涉仪，试图以此观察年设计出一台精密的干涉仪，试图以此观察地球相对地球相对“以太以太”的运动。的运动。结论：通过任

8、何实验都不可能观察到地结论：通过任何实验都不可能观察到地球相对于以太运动的任何效应。球相对于以太运动的任何效应。麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是通过麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是通过“以太以太”传播的。传播的。1905年，爱因斯坦（年，爱因斯坦（A. Einstein）发表）发表了著名的狭义相对论，彻底否定了了著名的狭义相对论，彻底否定了“以太以太”的存在；同时还假设，光在真空中始终是的存在；同时还假设，光在真空中始终是以恒定的速度传播，与光源或观察者的运以恒定的速度传播，与光源或观察者的运动状态无关。动状态无关。第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 12电磁波动说的困境电磁波动说

9、的困境对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用何对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用何种假设，只要是以电磁理论为前提，所得结论都种假设，只要是以电磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。与实验结果相矛盾。(5(5）光的量子说（）光的量子说（2020世纪初世纪初-）v 普朗克（普朗克（M. Planck）的黑体辐射公式）的黑体辐射公式v 爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程v “光子（光子（photon）”概念的提出概念的提出第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 13 1924年法国人德布罗意（年法国人德布罗意（De.Broglie)大大胆地提了胆地提了“物质波物质波”的概念，尔后薛

10、定谔、的概念，尔后薛定谔、海森伯等人创建了量子力学，又将二者统海森伯等人创建了量子力学，又将二者统一起来。一起来。 光是一个复杂性的客体，它的本性只能光是一个复杂性的客体，它的本性只能通过它所表现的性质来确定，它的某些方面通过它所表现的性质来确定，它的某些方面象波而另一方面象微粒象波而另一方面象微粒（波粒二象性）（波粒二象性）。但。但它既不是波，也不是微粒，也不是二者的混它既不是波，也不是微粒，也不是二者的混合体。合体。第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 1420 世纪世纪50年代激光的出现年代激光的出现以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪、照相机等为代表的以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪

11、、照相机等为代表的各种光学仪器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的各种光学仪器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的应用应用传统光学的研究对象：传统光学的研究对象：激光技术，信息光学，非线性光学，导波光学激光技术，信息光学，非线性光学，导波光学现代光学现代光学第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 15经典光学现代光学过渡（光的吸收、 散射、色散）光的量子性（黑体辐射、光电 效应、康普顿效应）现代光学基础（激光、非线性光 学、全息、傅里叶光学）波动光学（干涉、衍射、偏振）几何光学（原理、仪器）分类：分类：第第16章章 波动光学波动光学物理学物理学 16 16-1-1 光是一种电磁波光