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几何光学
• 荷兰物理学家、天文学家、数学家惠更斯（1629 年-1695） 在《论光》一书中从声和光的某些现象 相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波。所 谓“以太”则是一种假想的充满整个宇宙空间的弹 性介质，光的传播取决于“以太”的弹性和密度。 • 光学的研究在18世纪没有什么进展，多数科学家支持光的 微粒说，不过瑞士的欧拉（Euler，1707-1783）和法国的伯 努利（Bernoulli，1700-1782）却捍卫并发展了波动理论。 几何光学时期建立了光的反、折射定律，出现了望远镜和显 微镜等光学仪器，促进了天文学、生物学和航海事业的发展； 由于干涉、衍射等波动现象的出现，开始向波动光学过渡。
• 克尔(Kerr, 1824-1907,苏格兰)在 1875年、1876年分别发现了克尔电光 效应和克尔磁光效应。 • 赫兹(Hertz,1857-1894,德国)在1888 年证实了电磁理论；
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波动光学
• 洛伦兹(Lorentz,1853-1928,荷兰)在1896年创立了电子论，解 释了物质的反射、吸收以及色散，1902年获诺贝尔物理学奖； • 塞曼(Zeeman，1865-1943，荷兰)1896年发现了塞曼效应。 1902年获诺贝尔物理学奖； • 法国的裴索(Fizeau,1819-1896)和傅科(Foucault,1819-1868) 分别在1849年和1862年测定了光速；
References
M. BornBiblioteka & A. Wolf, Principles of Optics
R.W. Boyd, Nonlinear Optics C. Rulliere, Femtosecond Laser Pulses: Principles and Experiments R.P. Feynman, R.B. Leighton, & M. Sands, The Feynman Lectures on Physics 课件下载 /dirdoc.aspx?d=2
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几何光学
• 荷兰的斯涅尔(Snell,1591-1626)和法国的笛卡 尔(Descartes,1569-1650)分别在1621年和1630 年提出了三角函数形式的折射定律；
折射定律是光学的最重要基本定律之一。斯涅耳的发现为几何光学的发展 奠定了理论基础，把光学发展大大推进了一步。
• 费马(Fermat，1601-1665)提出了光在介质中传播时所走 的光程取极值的原理；
1600
1700
1800
1900
2000
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萌芽时期
几何光学
波动光学
量子光学/现代光学
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光学萌芽
远古时代: 光会聚， 太阳能的原始利用
3000年前 古埃及和美索不达米亚人 宁路德透镜 (Nimrud lens)
西周中期 青铜凹面镜(阳燧或夫遂) 取火
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光学萌芽
• 韦伯(Weber,1804-1891，德国)在1856年发 现了电荷的电磁单位和静电单位的比值等 于光在真空中的传播速度；
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波动光学
• 麦克斯韦(Maxwell,1831-1879，英国)在1865 年提出了电磁波的传播速度为光速以及著名的 麦克斯韦方程；
经典电磁理论的奠基人。1850年考人剑桥大学，1854年以优异成 绩毕业并留校工作，1856年起任苏格兰的马里沙耳学院的自然哲 学讲座教授，自1860年起任伦敦皇家学院的物理学和天文学教授， 1871年起负责筹划卡文迪什实验室并担任第一任负责人。
• 宋代沈括（1031-1095）的《梦溪笔谈》中 在凹面镜、凸面镜的成像规律、测定凹面镜 焦点的原理以及虹的成因等方面都有创造性 的阐述。
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光学萌芽
• 英国科学家及公法学家培根（R. Bacon，12141294）提出用透镜校正视力和采用透镜组构成 望远镜的可能性，并描述了透镜焦点的位置。
• 意大利阿玛蒂（Armati，公元1299年）发明了眼镜；波特 （G. B. D. Porta，1535-1615）研究了成像暗箱，并在1589年 的论文《自然的魔法》中讨论了复合面镜以及凸透镜和凹透镜 的组合。 在光学发展的萌芽时期，观察到光的直线传播、反射、折 射、放大等现象，产生了凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜、 暗箱和幻灯等光学元件。 13
• 波意耳(Boyle,1627-1691，英国)研究了薄膜所产生的彩 色干涉条纹；
• 牛顿(Newton，1642-1727，英国)：英国 物理学家、数学家和天文学家。1643年1 月4日诞生于英格兰东部小镇乌尔斯索普, 1727年3月20日卒于伦敦。1666年用三棱 镜进行了著名的色散试验，由此揭开了物 质的颜色之谜，物质的色彩是不同颜色的 光在物体上有不同的反射率和折射率造成 的。牛顿提出了光的“微粒说”，认为光 是由微粒形成的，并且走的是最快速的直 线运动路径。
几何光学
• 李普塞(H.Lippershey，1587-1619，荷兰)在1609年发明了 第一架望远镜；
• 延森(S.Janssen.1588-1632，荷兰)和冯特纳(P.Fontana， 1580-1656)制作了复合显微镜；
• 伽利略(Galilei,1564-1642， 意大利)制作了首架天文望远 镜，观测到木星的卫星，支持 了哥白尼的日心说。 • 开普勒(J.Kepler，1571-1642，德国)于 1611年发表了《折光学》，提出了照度 定律，发明了新型望远镜；
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波动光学
• 马吕斯(Malus,1775-1812，法国)发现了光的偏振现象； • 法拉第(Faraday,1791-1867，英国)在1845年 发现了光的振动面在强磁场中的旋转；
出生于萨里郡纽因顿的一个铁匠家庭，在化学、电化学、 电磁学等领域都做出过杰出贡献。他家境贫寒，未受过系 统的正规教育，但却在众多领域中作出惊人成就，堪称刻 苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范。法拉第墓碑上 照他的遗愿只刻有他的名字和出生年月。
建立课本知识到科学研究的联系
研究生或者高年级本科生
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主要内容
光学的发展与现状 光学基础
激光、几何光学、电磁波、反射与折射、干涉与衍射、偏振、电光声光磁光 效应、光学微腔、晶体光学等
非线性光学基础
非线性光学系数、二阶光学非线性、光克尔效应、多光子过程、四波混频、 非线性光散射、极端非线性光学效应等
• 伽博(Gabor,1900-1979，英国)在1950年发明了全息照相技术 • 梅曼(Maiman，1927-，美国)在1960年制成了红宝石激光器； • 朱棣文(Stephen Chu)等发展了用激光冷却和陷俘 原子的方法。1997年获诺贝尔物理学奖。
1948年生于美国密苏里州圣路易斯市。父母祖籍为江苏太仓和天津， 均是MIT博士。1970年毕业于纽约州罗彻斯特大学，获得物理和数 学双学士。1976年在加州大学伯克利分校取得物理学博士学位。 1983年任贝尔实验室电子学研究部主任。1987年转至斯坦福大学担 任物理系教授，1993年当选为美国科学院院士。
• 迈克尔逊(Michelson，1852-1931，美国)发明了光学干涉仪， 1907年获诺贝尔物理学奖； • 普朗克(Plank，1858-1947，德国)在1900年提出了著名的黑体 辐射理论，1907年获诺贝尔物理学奖； • 1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假 设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中， 提出了光量子理论，圆满解释了光电效应。
• 春秋战国之际，墨翟（公元 前468-376年）所著《墨经》 中记载光的直线传播和在镜 面上的反射等现象。
• 希腊数学家欧几里德（Euclid，公元前330-275 年）所著《光学》一书研究了平面镜成像问 题，提出了将光当作类似触须的投射学说。
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光学萌芽
• 希腊的克莱门德（Cleomedes，公元50年） 和托勒密（C. Ptolemy，公元90-168年） 研究了光的折射现象。 • 罗马哲学家塞涅卡（Seneca，公元前3-65）指出充满水的玻 璃泡具有放大功能。
• 李普曼(Lippmann，1845-1921，法国) 发明了基于干涉现象用 照片重现彩色的技术。1908年诺贝尔物理学奖。 光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它 指出了光和电磁现象的一致性，使人们在认识光的本性方面 向前迈出了一大步。
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现代光学
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用 的微观机制中，开始了量子光学时期。
超短脉冲与超快光谱学方法
超短脉冲、调Q和锁模、脉冲检测与操控、THz脉冲、阿秒世界、时间分辨 光谱学、超快相干光谱等
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Evaluation scheme
Homework (10% x 4) Exam (40 %) Discussions in class (20 %)
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光学原理
光学历史简略
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光：波粒二象性 (wave-particle duality)
Photon & Electromagnetic wave
Wavelength (m)
Scale
Frequency (Hz)
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历史发展
在光学发展的量子光学时期，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现 象证实了光的波动性；另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证 实了光的量子性-粒子性。
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• 美国的肖洛(Schawlow,1921-1999)和汤斯(Townes，1915-)提 出了把微波量子放大器的原理推广到光频波段，汤斯1964年获 诺贝尔物理学奖，肖洛1981年获诺贝尔物理学奖；