光学一、光学的科学体系二、对光学现象的发现与认识三、对光本性的认识光学的科学体系一、光学的科学体系光学：研究光的传播、和物质相互作用的学科。

光学研究光的传播和物质相互作用的学科•1、几何光学:几光基于“光线”的概念讨论光的传播规律。

•2、波动光学：研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）的学科。

•3、量子光学：研究光与物质的相互作用问题。

•4、现代光学：20世纪后期发展起来的体系。

几何光学1、几何光学•从理论上说，几何光学三个基本定律从理论上说几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）只是光波衍（直线传播折射反射定律）只是光波衍射规律的短波近似。

射规律的短波近似•方法上是几何的，物理上不涉及光的本质。

•从直线传播，折射、反射定律等实验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。

2、波动光学波动光学•研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）。

基本问题在各种条件下的传播问题•基本问题：在各种条件下的传播问题。

•基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。

•波前：原为等相面，现泛指波场中的任一曲面，更多的是指一个平面。

•主线：描述、识别、分解、改造、记录和再现波前量子光学3、量子光学•在原子(分子)的尺度上研究光与物质的相互作用的问题。

作用的问题•有时可用经典理论，有时需用量子理论。

对于这类原不属于传统光学的内容，有人称之为“分子光学”或“量子光学”，也有人把它们仍归于物理光学之内。

近代光学4、近代光学•1948年全息术的提出，1955年光学传递函年全息术的提年学传数年光其数的建立，1960年激光的诞生为其发展中的三件大事。

薄膜光学的建立源于薄膜技术的发展•薄膜光学的建立，源于薄膜技术的发展；•傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍射的结合；集成光学空间光学等等也•集成光学、非线性光学、空间光学等等也都属于近代光学的范畴二、对光学现象的发现与认识对光的早期认识•1、对光的早期认识公元前5世纪：考虑视觉是如何产生的。

提出两种假设：触觉论、发射论。

提出两种假设触觉论发射论几何光学规律的发现•2、几何光学规律的发现•3、波动光学现象的发现波动光学现象的发现几何光学规律的发现2、几何光学规律的发现•公元前4世纪：墨经记述了光的直线传播、公前世墨述的直线传播阴影形成、光反射和凹凸面镜反射成像等。

阴影形成光反射和凹凸面镜反射成像等•公元前3世纪：古希腊欧几里德Euclid也发世纪古希腊欧几里德现了光的直线传播和镜面反射定律•公元17世纪前期：荷兰的斯涅耳（Snell）和法国的笛卡儿归纳成解析表达式3、波动光学现象的发现•1650年代，意大利的Grimaldi首次注意到衍射现象；年代意大利的首次意到衍射象•英国的胡克（R.Hooke）研究了薄膜的彩色图样，R Hooke）研究了薄膜的彩色图样认为是干涉所致；•牛顿发现了“牛顿环”并进行了棱镜分光实验。

•1660年代，丹麦的Bartholinus发现了双折射现象。

•1670年代荷兰的惠更斯进一步发现了光的偏振现象。

三对光本性的认识三、对光本性的认识1、17世纪中叶以前的认识主要有触觉论、发射论两种2、17世纪中叶至19世纪的认识：光的波动说和微粒说3、20世纪的认识：波粒二象性1、光的微粒说牛顿对光的散的研究A、牛顿对光的色散的研究早在剑桥大学高年级时，通过三棱镜实验研究太阳光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。

牛顿的色散实验为折射率牛顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟了道路，被美国《物理学世界》评为历史上“十大最美丽的物实验之物理实验”之一。

牛顿发明反射望远镜牛顿在《光学》一书中调调了自己从实验观察出发，进行归纳综合的研究方法，他说：察出发进行归纳综合的研究方法他说“在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难的事物时总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。

这样的分析方法包括做实验和观察，用归纳法得出普遍结论，并且不使这些结观察用归纳法得出普遍结论并且不使这些结论遭到非议，除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理。

”牛顿的微粒说B、牛顿的微粒说牛顿认为：光是发光体所射出的群微小粒牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。

解释光的反射微粒说无法解释干涉速度大于真空光速c的情况牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的？基于光的直线传播和他的自然哲学思想，牛顿在研究力学时，他的基本对象是“质点”，研顿在研究力学时他的基本对象是“质点”研究化学时，他相信原子说；加上微粒说简单、究化学时，他相信“原子说”；加上微粒说简单、直观、方便应用（在几何光学中）。

所以站在自然哲学高度，牛顿认为光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的。

世界有统性也是很自然的在用微粒说解释光的折射时，他又用了机械在用微粒说解释光的折射时他又用了机械论观点。

他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面方向受到一个吸引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度与原来的速度相加的结果，合速度的方向向界面的法线靠拢，发生的结果合速度的方向向界面的法线靠拢发生了折射。

但是造成了合速度的大小将大于空气中的光速c。

可见测量光在介质中的速度大小将是微粒说正确与否的“试金石”。

可惜当时没有实验能对此进行判断。

验能对此进行判断为什么光的微粒说能统治一百多年？一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断微方面当时没有实验能测量介质中的光速判断微粒素是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。

另一方面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。

响使得微粒说在一百多年内占统治地位值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。

尤其在他认识到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出自的解释来，对干涉条纹作出自己的解释。

2、光的波动说A 、惠更斯的波动说⑥波面：波在传播过程中振动相位相同的点组成的面称为波面为波面。

⑥波前：最前面的一个波面称为波前。

惠更斯在笛卡儿、胡克等人的基础上提出了光是振动传播的假说他础上提出了光是振动传播的假说。

他认为“光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质（以太）中的传播过程。

”他称这种惠更斯传波为以太波。

惠更斯慧根思惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。

惠更斯提出类似于气中的声波以太波是纵波注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。

正由于被认为是纵波，所以对“偏振”现象就无法解释正由于被认为是纵波所以对“偏振”现象就无法解释了，加上“以太”是否存在还是一个疑问，而且初期的波动说还缺乏数学基础，所以难以与微粒所抗衡。

横波中质元的振动方向纵波中质元振动方向与波的传播方向垂直与波传播方向平行惠更斯原理每一时刻的波前上各点都可看成是新的子波源，从它们发出的各个球形子波在下一时刻的共同包络面就是下一时刻的新波前。

下时刻的新波前B、光的反射用惠更斯原理可以解释光的反射3、光的干涉、衍射和偏振A 、双缝干涉和薄膜干涉双缝干涉条纹涉条件相同的频率干涉条件有稳定的相位差相同的振动方向双缝干涉-a ．用波的叠加原理（托马斯杨）薄膜和劈尖干涉及其应用b ．薄膜和劈尖干涉及其应用（a ）薄膜干涉：肥皂泡或路面上的油膜所产生的彩色图样，是由于光在薄膜上、下表面反射回来的光发生干涉而形成的。

薄膜干涉（b）空气劈尖干涉劈尖干涉：光从极小角度的空气劈的上、下两个面反射回来，发生干涉。

劈尖干涉应用：运用等厚干涉原理，检测物体表面的平整度。

取一块光学平面的玻璃片，称为平晶，放在待检测工块光学面的玻璃片称为晶放在待检测件（玻璃片或者金属磨光面）的表面上方，在平晶与工件表面间形成劈形空气膜，然后用单色光垂直照射，观察干涉条纹。

察干涉条纹从等厚干涉的特点可知每条条纹对应于薄膜中从等厚干涉的特点可知，每一条条纹对应于薄膜中的一条等高线。

如果工件表面是非常平整的，那么等厚条纹应该是平行于棱边的一组平行线；如果工件表面不平整（肉眼不一定能看出）则等厚条纹就应该是随着平整（肉眼不一定能看出），则等厚条纹就应该是随着工件表面凹凸的分布而出现的一组形状各异的曲线。

检测精密表面平整度（c）牛顿环牛顿环：把一个大曲率凸透镜放在光学平面玻璃片上。

当用单色光正入射到透镜平面上时，由于凸透镜与上当用单色光正入射到透镜平面上时由于凸透镜与下面平面玻璃片间形成的空气劈的作用，则沿着空气劈厚度增加的方向可观测到同心圆环形的明暗干涉条。

牛顿环可用来快速检测透镜的曲率半径及其表面是否合格。

牛顿环缝宽时无衍射单缝衍射波长λ一定时，d 越小，θ越大，即光转弯越厉害。

法国科学家菲涅耳从波动观点出发，将叠加原理与惠更斯原理结合起来，严格计算了狭缝圆孔、圆板后面的衍射图样。

尤其是在圆板后面屏幕中央有亮斑，当时轰动了法国科学院，一些权威不相信。

但最终实验证一些权威不相信但最终实验证实了菲涅耳的计算结果，从而使波动说取得了决定性的胜利。

波动说取得了决定性的胜利C、光的偏振a．什么是偏振光？电磁波是横波，电场和磁场的振动方向与波的传播方向垂直。

方向垂直电磁波传播非偏振光：⑥垂直传播方向的振动方向可以在Oxy平面内是任意的。

自然光⑥自然光：在垂直于传播方向的各方向上，电场强度振动的强度随时间的平均值是均匀的。

自然光⑥线偏振光：光振动只沿某一固定方向。

线偏振光⑥部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势。

⑥椭圆偏振光：光矢量按一定频率旋转，其矢端轨迹为椭圆的。

⑥圆偏振光：光矢量按一定频率旋转，其矢端轨迹为圆的。

圆偏振光部分偏振光椭圆偏振光19世纪光的波动说的两个英雄世光的波动说的两个英雄1)英国科学家托马斯·杨（1773-1829）两岁认字，四岁能读圣经，23岁获医学学位。

牛顿反对波动说，光的微粒说在百年中占了上风，波动牛顿反对波动说光的微粒说在百年中占了上风波动说几乎销声匿迹。

面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的勇敢精神说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并因此非得认为他是百无失的。

我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威为他是百无一失的我遗憾地看到他也会弄错而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。

”设计了杨氏双缝实验，证明了光的衍射现象。

托马斯·杨通过他的实验完全建立起光的干涉原理，但在当时微粒说占统治地位的情况下，他的工作没有受到科学当时微粒说占统治地位的情况下他的工作没有受到科学家的重视。

在1801-1804是他光学发现的第一个时期，相反他的学说遇到了嘲笑，出现了攻击他的文章，他遭遇到许多非难。

于是，他放弃了光学研究，有12个年头，他把许多非难于是他放弃了光学研究有12个年头他把全部时间放在医学和语言学研究上，为考古学作出了贡献。