第十四章波动光学（一）-3.ppt

第十三章 波动光学 光是什么？千百年来，无数学者哲人深深陷入这个问题苦苦思索，这个问题的答案几乎囊括了人类史上最聪明的智慧。不过，它在中国的面目可以简化为一道高考选择题，如下： [选择题]光是什么？ 选项：A. 光是粒子； B.光是波； C.光既是粒子也是波； D.光既不是粒子也不是波； E.以上答案均正确； F.楼上都在瞎掰； G.楼主是个传说； ……？ 以光的波动性质为基础， 研究光的传播及规律。 以光的粒子性为基础， 研究光与物质相互作 用的规律。 光学 以光的直线传播为基础， 研究光在透明介质中的 传播规律。 研究光的本性、光的传播和光与 物质相互作用等规律的学科。 光学： 波动光学： 量子光学： 几何光学： 1621年荷兰科学家菲涅耳（W. snell, 1580~1626）从实验归纳出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。 早在我国先秦时代（公元前400－382年），《墨经》中就详细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜的成像规律。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书《光学》，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。 光学发展史 一、几何光学时期 二、光的微粒说和波动说 牛顿(Newton) 光是一种粒子! 光是一种波! 惠更斯(Huygens) 1704年，牛顿在《光学》一书中指出,光是从发光体发出的，以直线传播的微粒—微粒说。 1690年，惠更斯在论文《光论》中指出，从光与声的某些相似性出发，认为光是在以太介质中传播的球面纵波—波动说。 对光的波动说给予有力支持的几个实验： 1、 1801年托马斯 · 杨（Thomas Young）完成了著名的“杨氏”实验，并提出了干涉原理； 2、 1809年，马吕斯（Malus）发现了光的横波性；（尽管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥） 3、 1815年，菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如泊松亮斑）。 赫兹（Hertz ） 麦克斯韦（Maxwell ） 1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在真空中传播的速度等于光速 c ，从而预言光是一种电磁波。1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。 通过大量实践可知，红外线、紫外线和X 射线等都是电磁波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波动理论成为电磁理论的一部分。 三、光的电磁学说 光是一种电磁波。 你的预言是对的！ 四、量子光学时期 19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐射、光电效应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。 1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。 普朗克（Planck） 爱因斯坦（Einstein） 康普顿（Compton） 从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有“波粒二相性”（Wave-particle duality）。光在传播的过程中主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现出微粒性。 本章只讨论光的波动性。即主要研究光的干涉、衍射、偏振等问题。 一、光的干涉 1. 杨氏双缝干涉、薄膜干涉. 2. 牛顿环、迈克耳孙干涉仪. 教学基本要求 1. 单缝衍射、光栅衍射、圆孔衍射. 2. 光学仪器分辨率. 二、光的衍射 三、光的偏振 1. 自然光、偏振光; 2. 布儒斯特定律、马吕斯定律、旋光现象. §13.1 光的电磁特征 光矢量 用 矢量表示光矢量, 它在引起人眼视觉和底片感光上起主要作用. E的变化称为光振动. （1）光波是电磁波 （E沿y方向） （H 沿z方向） 平面电磁波 的波动方程 由麦克斯韦方程组可导出： 电磁波是横波。 沿 x 轴正方向传播的平面余弦电磁波特解： 平面电磁波方程 455~400 紫 470~455 兰 492~470 青 577~492 绿 597~5