光速的第一个较为 精确的测量结果是 靠天文观测取得的
•光可以在真空中以电磁波的形式传播，不同介质中的光速不同。 •光速的测量在17世纪才得以实现，推动了波动光学的确立。
Io卫星消失在木星背后的周期是42.5小时。 丹麦天文学家罗默根据地球在不同位置观测Io卫星消失的时刻差推出光速3c/4
迈克耳孙旋转棱镜法测定出更精确的光速
粒子性
牛顿(17世纪伟大物 理学家)是早期光的 微粒理论的代表人 物。
早期光的本性的争论
牛顿和惠更斯都能解释折射 定律，但对光在介质中的速 度有着相反的推断。
波动性
惠更斯-牛顿同时期支持 波动理论代表人物。 认为光在介质中传播速 度比真空中慢。 19世纪初托马斯.杨的 干涉实验和菲涅耳的 衍射实验使波动理论 占上风。 1850年傅科确定光速 在水中比空气中小. 1862年麦克斯韦指出 光是电磁波.
折射定律：
n sin n1 sin1
透镜的基本作用原理 140年托勒密研究现象—— 17世纪斯涅耳实验发现， 笛卡耳给出数学形式
Incident Ray
Normal
折射率
•介质的折射率为光在真空中的 速度除以光在介质中的速度
c c n v f
不同介质中不变 的是光的频率f
n2 •相对折射率 n21 n1
2 2
夏季公路或沙漠 炽热地面上空折射率变化
n ( y) n0 n p（ 1 ey）
2 2 2
空气折射率的空间梯度变化产生 海市蜃楼现象；并非任何方位都 能看到，存在一个最佳观察高度 和视角问题。
大气电离层（D)区
高空中的大气分子和原子，在太阳辐射作用下被电离为离 子和自由电子。这个含有大量离子和自由电子的大气层称 作电离层，约位于60-500km高度。D区在60-90km之间
辐射源的原子或分子从激发态（高能轨道）向低能级跃迁同时向外辐射 能量的形式称为发光。根据能级不同，不同物质具有不同的发光谱线。
水银的电子能级 546纳米波长光是常 用的校准光
发光的形式
•电致发光——如：闪电、霓虹灯 •光致发光——如：日光灯气体产生紫外光激发荧光粉发光
•化学发光——如：萤火虫体内荧光素与空气氧化反应发光
轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于 一点的现象称为球差。
与球差相对应,傍轴物点发出的宽光束径透 镜后不再交于一点，而在高斯像面上形成彗 星状弥散斑，这种现象叫做慧差。
远轴物点发出的窄光束经透镜后不再交于一 点，这种现象称为像散
像面弯曲简称场曲
当物体发出的光线与主轴有大倾角时，既使 是窄光束，所形成的像与原物体也不再相似， 这种现象称为畸变,分枕型畸变和桶型畸变。
光的散射——天为 什么呈现蓝色？
最常见的光——太阳光
•太阳温度高达5800oC, 其发光形式为热致发光。 •太阳光包含所有可见 光范围的连续光谱，因 而呈现白色。 由于地球大气对 波长短的蓝、紫 光散射较强，因 此天空呈蓝色。 进入人眼的太阳 光红、黄色偏多。 太阳光中红外——紫外频段范 围内的光占主要成分。 牛顿——光通过棱镜实验 （1666年,24岁）证明白光是 不同色彩的光混合的结果。
阿肯第（世上万物发出各个方向的光线）（公元9世纪）
培根——玻璃透镜；眼镜（意大利）~公元12世纪） 达芬奇、笛卡尔、伽利略等人——发展几何光学， 解释透镜特性，建造光学仪器（~公元15-17世纪）
•17 世纪
牛顿（1642-1726）和惠更斯（1629-1695）关于光的本 性的争执；费马原理（光线传播的基本原理）
落日为何 成红、黄色？
日落时太阳光 经过的大气层 距离变长，短 波成分大量被 散射。
物体呈现的色彩
物体色彩与物体发出或反射的光有关；不同频率的可见光 在人眼中呈现不同的色彩；我们看到的色彩通常是多种频 率光的组合效应 不同频率光的组合可以产生不同的色彩效果，但人眼对光 的色彩分不出其频率成分。
红、绿、蓝作为光的 三原色，可以组合出 几乎所有颜色。
为什么会聚系统是必须的？
理想的成像系统：物上的每一点与像上的每一点一一对应； 实际的成像系统会引入模糊！
聚焦、散焦、模糊
不理想聚焦由 像差和衍射引起
在傍轴几何光学中光 学系统理想聚焦
处理像差，需要非 傍轴几何光学
处理衍射，需 要波动光学
像差
实际光路与傍轴光路有所偏离，所成像偏离理想 成像的现象统称为像差，分为单色像差和色差。 单色像差是单色光成像时由非傍轴光线成像所产 生的像差；可分为球差、慧差、像散、场曲和畸 变五种情况。 色差是复色光成像时由于介质折射率与光的颜色 有关引起的像差.
•18-19 世纪 托马斯.杨干涉实验、菲涅耳衍射实验使牛顿微粒理论受挫； 麦克斯韦电磁方程，赫兹证实天线辐射原理(1899) •20世纪 量子理论（普朗克、爱因斯坦、波尔等） 光学全息术的发现(1948) 激光的发现(1956)
飞秒激光（10-15秒电磁脉冲）、激光冷却技术、
量子纠缠、量子输运、量子逻辑门（量子光学与计算科 学交叉——量子信息技术） 激光的应用促进了诸多领域的迅猛发展！
新的光子说
普朗克（1858-1947） 于1900年提出能量子假 说，解释了黑体辐射。 爱因斯坦（1879-1955） 1905年将其发展为光子 学说并成功解释了光电 效应。 德布罗意（1892-1987） 物质波，波粒二象性。
19世纪末和20世纪初， 在研究光与物质相互作 用时，发现很多新的问 题不能用波动说加以解 释。 其中著名的难点是黑体 辐射能谱与经典理论的 矛盾；光电效应的解释。
光学简史
•古希腊（公元前5-3世纪） 毕达格拉斯（光线/fire element)从眼睛里射出） 德谟克利特（身体辐射出不可思议的物质） 亚里士多德（代表物体的物质进入人眼） 柏拉图（眼睛发射光线落到物体上）
伽利略——第 一台实用望远 镜
欧几里德(几何光学）描述了反射定律 •中世纪(公元5-15世纪）
本学期课程安排 １、几何光学
快速讲解、 快速讲解
２、波动光学通论 详细讲解、 重点掌握 ３、光的干涉 ４、光的衍射 ５、光在晶体中的传播 ６、光的吸收、色散、散射、激光
自学为主
几何光学
几何光学的内容：
1、平面和球面的反射、折射 2、傍轴近似下的成像 3、孔径和光阑 4、像差
几何光学有效前提： 所研究对象的尺寸要 远大于光的波长！ *理解光在波长尺度 的行为，要考虑光的 波动性！ *点物或点像远小于 波长，所以光会聚到 一点是近似的结果！
•阴极射线致发光——如：传统电视荧光屏等发光
•热致发光——如：NaCl在火焰中的钠黄光
荧光材料只有在受到辐射时发光。某些材料在所有照射源取去 后很长时间仍可继续发光叫做磷光。磷光物质用在夜光手表等。 很多都有1万小时以上的亮度波
光的传播
折射会把水里的东西提的好 像比它真正的位置高，水看 起来比实际浅三分之一。
自然界中的折射现象使得人类和其它生物的大脑 需要进行相应的调节适应！
夏天的路面为何远远看去象有一层水？
海市蜃楼
冬季海面
Mirage or looming
折射率随海面高度y的变化
n 2 ( y) n0 n p e y
色差是复色光成像时由于介质折射率与光 的颜色(波长)有关引起的像差.
光的反射定律
Reflected Ray
反射定律:
1
古希腊数学家欧几里德 （约公元前3-4世纪） 在其著作中宣布。
Incident Ray
镜面反射和漫反射
Specular Reflection Diffuse Reflection (rough surfaces)
•光密到光疏(n>n1)
n1 C arcsin n
全内反射临界角 Total Internal Reflection
光疏到光密(n<n1) n 1C arcsin n1
折射临界角
若n=1.5(水),n1=1(空气)则Crit41.8o
折射现象及其应用
冰和盛满水的圆玻璃瓶可用来聚焦取火
隐身色——由于水面的全反射，深水向上看是银色背景,所以银色的鱼 鳞可以提供保护减少受到水上或水下的攻击.(军舰的灰色(海洋背景); 飞机底部(浅蓝色——天空背景)上部(褐色、暗绿色、紫色——地面背 景，夜晚攻击——黑色）；所有环境都能使用的隐身色是一种能反射 四周景色的镜面。
B2隐型轰炸机、F117隐身攻击机
人类对光的色彩的应 用基于三原色的组合。 如：各种彩色显像。
不同光源照射下色彩的变化
视觉
我们能够看见一件东西，是由于这件东西能对光线起作用。如果物体 既不吸收光线，也不反射光线或是折射光线，那它就根本不能被看到.
任何透明的物体，放在透明的介质中，只要他们的折射率相差小于 0.05，这个透明物体就会变得看不见。玻璃放到任何一种折射率和它 差不多的液体中就很难被发现,(小虾、水母等)
迈克耳孙（1852-1931）： 首次测定一个星球的直 径；1907年诺贝尔奖第 一位美国人
调整棱镜的转速，使得其转八分之一转时反射光被观测到。
1983年 c=299,792,458m /s
光与物质的相互作用
光的反射——反射分 镜面反射和漫反射
光的折射——透镜 的基本作用原理
光的吸收——物体呈现 不同的色彩与物体对 不同频率光的吸收有 关
20世纪中期，薛定谔、 海森堡、狄拉克和玻恩 等人建立量子力学。
“光的波粒二象性”在20世纪中期量子 力学理论建立起来后得到了统一。
光能通过粒子“光子”来传送——解释黑体辐射等 光能通过波动传送——干涉、衍射等
光子（基本光粒子）静质量m=0 能量E=h; h是普朗克常数 =6.626210-34焦.秒
•对于折射率不同的两种介质， 折射率较大的为光密介质，折 射率较小的为光疏介质