南京大学-张学进-光学课件.ppt

南京大学光学课件本课件由南京大学张学进教授编写，旨在系统介绍光学的基本概念、理论和应用。内容涵盖光的本质、传播、干涉、衍射、偏振等经典光学内容，以及激光原理、非线性光学、量子光学等现代光学前沿领域。通过本课件的学习，学生可以全面掌握光学知识，为后续的科研和工作打下坚实的基础。

光学简介：光是什么？光的历史发展光学是研究光的行为和性质的物理学分支。从古希腊时期对光的直线传播和反射的研究，到牛顿的光的微粒说和惠更斯的光的波动说，再到麦克斯韦的电磁理论和爱因斯坦的光子说，人类对光的认识经历了漫长而曲折的过程。光的本质是电磁波，同时具有粒子性，即波粒二象性。光学的发展极大地推动了科学技术的进步，广泛应用于各个领域。古代光学古希腊人对光的直线传播和反射进行了研究，提出了几何光学的基本概念。经典光学牛顿提出了光的微粒说，惠更斯提出了光的波动说，麦克斯韦建立了电磁理论。现代光学爱因斯坦提出了光子说，量子力学揭示了光的波粒二象性。

光的电磁理论：麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是描述电磁场的基本方程组，包括四个方程：高斯定律、高斯磁定律、法拉第电磁感应定律和麦克斯韦-安培定律。这些方程揭示了电场和磁场之间的相互关系，预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的传播速度等于光速，从而将光现象与电磁现象联系起来。麦克斯韦电磁理论是经典物理学的巅峰之作，为现代光学的发展奠定了理论基础。高斯定律描述电场与电荷分布的关系。高斯磁定律描述磁场是无源场。法拉第电磁感应定律描述变化的磁场产生电场。麦克斯韦-安培定律描述变化的电场产生磁场。

电磁波的性质：频率、波长、速度电磁波是电场和磁场相互垂直且周期性变化的波，具有频率、波长和速度等基本性质。频率是指电磁波每秒振动的次数，单位是赫兹（Hz）。波长是指电磁波在一个周期内传播的距离，单位是米（m）。速度是指电磁波传播的快慢，在真空中等于光速c，约为3×10^8m/s。频率、波长和速度之间存在关系：c=λν，其中λ是波长，ν是频率。不同频率和波长的电磁波具有不同的性质和应用，如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。频率电磁波每秒振动的次数。波长电磁波在一个周期内传播的距离。速度电磁波传播的快慢。

光的粒子性：光子、能量、动量光不仅具有波动性，还具有粒子性，即光是由一份一份的能量组成的，每一份能量被称为光子。光子的能量与光的频率成正比，E=hν，其中h是普朗克常量，约为6.626×10^-34J·s。光子也具有动量，p=h/λ，其中λ是光的波长。光的粒子性在光电效应、康普顿散射等现象中得到充分体现，揭示了光与物质相互作用的本质。光子光的能量的基本单元。能量光子的能量与频率成正比。动量光子具有动量。

光的波粒二象性光的波粒二象性是指光既具有波动性，又具有粒子性。在不同的实验条件下，光表现出不同的性质。例如，在干涉、衍射等现象中，光表现出波动性；在光电效应、康普顿散射等现象中，光表现出粒子性。光的波粒二象性是量子力学的重要概念，揭示了微观世界的本质规律。理解光的波粒二象性是深入研究光学的基础。波动性1粒子性2波粒二象性3

光的传播：直线传播、反射、折射光在均匀介质中沿直线传播，这是几何光学的基本原理。当光遇到不同介质的界面时，会发生反射和折射现象。反射是指光从界面返回的现象，折射是指光从一种介质进入另一种介质时传播方向发生改变的现象。反射和折射是光学成像的基础，也是各种光学器件设计的依据。1直线传播光在均匀介质中沿直线传播。2反射光从界面返回的现象。3折射光从一种介质进入另一种介质时传播方向发生改变的现象。

反射定律：镜面反射、漫反射反射定律是指反射光线、入射光线和法线位于同一平面内，反射角等于入射角。根据反射面的光滑程度，反射分为镜面反射和漫反射。镜面反射是指平行入射的光线经过光滑的反射面后，反射光线仍然平行，形成清晰的像；漫反射是指平行入射的光线经过粗糙的反射面后，反射光线向各个方向散射，不形成清晰的像。镜面反射是成像的基础，漫反射是物体可见的原因。1镜面反射反射光线仍然平行，形成清晰的像。2漫反射反射光线向各个方向散射，不形成清晰的像。

折射定律：斯涅尔定律、全反射折射定律是指折射光线、入射光线和法线位于同一平面内，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两种介质的折射率之比，即斯涅尔定律：n1sinθ1=n2sinθ2，其中n1和n2是两种介质的折射率，θ1和θ2是入射角和折射角。当光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于临界角时，会发生全反射现象，即光全部被反射回光密介质。全反射是光纤通信的基础。1斯涅尔定律2临界角3全反射

光的干涉：杨氏双缝干涉光的干涉是指两束或多束光在空间中叠加，形成强度加强或减弱的现象。杨氏双缝干涉是光的干涉的经典实验，将一束光通过两个狭缝，在狭缝后面的屏幕上观察