《光学》课程教学电子教案 第0章 前言绪论

光光 学学 电子教案（电子教案（PPT版）版）赵建林赵建林 编著编著高等教育出版社高等教育出版社普通高等教育普通高等教育“十五十五”国家级规划教材国家级规划教材高等教育出版社高等教育出版社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社光是生命的源泉光是生命的源泉大自然的美容师大自然的美容师 光学光学 教案教案内容简介简简 介介本电子教案与作者所编著的“十五”国家级规划教材光学一书相配合。本教案从现代光学视角对基础光学内容和体系的编排作了新的尝试，着重以建立光的完整图像为目标，以光波、光线和光子的传播特性为主线，系统地介绍了光学的基本概念、理论、规律、分析方法以及重要应用。教案中给出的基本概念准确，物理图像清晰，叙述思路独特，逻辑体系严谨，数学运算简洁，取材具有时代感。可作为高等学校应用物理学、光信息科学与技术、光电信息工程以及材料物理等专业的基础光学课程的教学参考。光学光学 教案教案光学光学，赵建林编著，高等教育出版社，赵建林编著，高等教育出版社，2006。配套教材简简 介介光学光学 教案教案编写及使用说明简简 介介本电子教案中的章节及公式编号与配套教材完全相同，除包括了教材中的全部插图（章节编号与教材相同）外，还增加了部分插图（未加章节编号）。教案按章和节编辑为不同文件。课程前言（含章目录）与各章、章（含节目录）与各节之间采用超级链接方式。因此，由本文档最后一页的章目录即可以链接到任意一节。每一节文档包含三部分：主要内容（即小节标题）、正文、本节重点（末页）。在每一节首页页眉栏中列出章名，在主要内容、本节重点及每一小节首页页眉栏中列出章和节名，其余各页页眉栏中依次列出章、节、小节名。光学光学 教案教案致 谢简简 介介本教案中给出的所有插图仅供用于课堂教学参考。其中绝大多数插图中系作者自己制作，个别图片取自网络共享文献，在此向原作者表示感谢。在本电子教案的编写和出版过程中，高等教育出版社胡凯飞、庞永江、王文颖、郭亚嫘等编辑付出了辛勤的努力，西北工业大学教务处为作者提供了精神和经费上的重要支持，西北工业大学教材建设委员会的诸位专家对提出了许多宝贵的建设性修改意见。此外，作者的研究生徐宏来曾协助作者编制教案的PPT版初稿，谢嘉宁、曲伟娟、陆红强、王军等曾协助制作了部分仿真实验图片。作者在此一并表示衷心感谢。第第8章章 激光基础激光基础 第第0章章 绪论绪论第第1章章 光波、光线与光子光波、光线与光子第第2章章 光学成像的几何学原理光学成像的几何学原理第第3章章 光的干涉与相干性光的干涉与相干性第第4章章 光的衍射与变换光的衍射与变换第第5章章 光学成像的波动学原理光学成像的波动学原理第第6章章 光的双折射与光调制光的双折射与光调制第第7章章 光的吸收、色散及散射光的吸收、色散及散射 目 录光学光学 教案教案简简 介介绪绪 论论光学光学 教案教案赵建林赵建林 编著编著普通高等教育普通高等教育“十五十五”国家级规划教材国家级规划教材高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社目目 录录1.光学的研究对象、地位和特点光学的研究对象、地位和特点2.光的本性光的本性3.现代光学的主要标志现代光学的主要标志4.光学的发展趋势光学的发展趋势光子学的崛起光子学的崛起5.光学课程的学习方法光学课程的学习方法绪绪 论论光光学学的的研研究究对对象象：光光的的本本性性以以及及光光的的发发射射、传传播播、接接收收、光光与与物质相互作用等方面的规律物质相互作用等方面的规律光是一种重要的自然现象光是一种重要的自然现象光学是物理学的一个重要分支光学是物理学的一个重要分支光学学科是一门应用性极强的基础学科光学学科是一门应用性极强的基础学科绪绪 论论1.光学的研究对象、地位和特点光学的研究对象、地位和特点基基础础光光学学课课程程重重点点：光光学学成成像像、干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振、双双折折射射等等基本规律基本规律基础光学：基础光学：几何光学，物理光学（波动光学几何光学，物理光学（波动光学+量子光学）量子光学）几几何何光光学学：以以光光的的直直线线传传播播性性质质为为基基础础，研研究究光光线线在在透透明明介介质质中的传播中的传播问题问题波波动动光光学学：以以光光的的波波动动性性为为基基础础，研研究究光光的的传传播播、光光和和物物质质的的相互作用相互作用规律规律量量子子光光学学：以以光光的的量量子子性性为为基基础础，研研究究光光的的发发射射以以及及光光与与物物质质相互作用相互作用的某些问题的某些问题基础光学课程主要讨论内容：基础光学课程主要讨论内容：光学的基本原理及典型应用光学的基本原理及典型应用绪绪 论论1.光学的研究对象、地位和特点光学的研究对象、地位和特点 光是一种高速运动着的微粒流。光是一种高速运动着的微粒流。微微粒粒说说能能够够很很好好地地解解释释光光在在均均匀匀介介质质中中的的直直线线传传播播以以及及在在两两种种介介质质分分界界面面上上的的反反射射规规律律，但但在在解解释释折折射射现现象象时时，会会得得出出与与实实际际情情况况相相反反的的结结果果光光在在密密介介质质中中的的速速度度应应大大于于疏疏介介质质中中的的，并并且且微微粒粒说说也也不不能能解解释释光光的的干涉、衍射和偏振等现象。干涉、衍射和偏振等现象。(1)古代元气说古代元气说（公元前（公元前400多年的多年的墨经墨经）光光，即即火火。火火属属五五行行之之一一，五五行行生生于于元元气气，故故光光生生于于元元气气。发发光光谓谓之之吐气，受光谓之含气。吐气，受光谓之含气。(2)牛顿（牛顿（I.Newton）的微粒说）的微粒说（17世纪）绪绪 论论2.光的本性光的本性(3)惠更斯（惠更斯（C.Huygens）的波动说）的波动说设设计计了了双双平平面面镜镜和和双双棱棱镜镜干干涉涉实实验验，进进一一步步证证实实了了杨杨氏氏关关于于双双孔孔干干涉涉现现象象解解释释的的正正确确性性；发发现现并并解解释释了了菲菲涅涅耳耳衍衍射射；总总结出了菲涅耳公式及菲涅耳方程。结出了菲涅耳公式及菲涅耳方程。光光是是在在充充满满整整个个空空间间的的特特殊殊介介质质“以以太太”中中传传播播的的某某种种弹弹性波，性波，因此服从波动的传播规律因此服从波动的传播规律惠更斯原理。惠更斯原理。利利用用惠惠更更斯斯原原理理不不仅仅能能够够正正确确解解释释光光的的直直线线传传播播和和反反射射定定律，也能够正确解释光的折射定律及双折射现象。律，也能够正确解释光的折射定律及双折射现象。(4)杨氏（杨氏（T.Young）双孔干涉实验与波动说的重新兴起）双孔干涉实验与波动说的重新兴起分分别别通通过过两两个个小小孔孔的的两两束束光光在在屏屏幕幕上上的的重重叠叠区区域域内内形形成成一一组组明明暗暗相相间间的的条条纹纹。包包含含了了光光波波波波长长的的概概念念，并并初初步步测测定定出出了了光波波长的大小。光波波长的大小。(5)菲涅耳（菲涅耳（A.J.Fresnel）对光的波动说的贡献）对光的波动说的贡献绪绪 论论2.光的本性光的本性(6)麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论（19世纪60年代初）得得出出了了著著名名的的麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组，预预言言出出电电磁磁波波的的存存在在，并并且且推推算算出出电电磁磁波波在在真真空空中中的的传传播播速速度度与与测测量量到到的的光光速速值值极极为为接接近近，进进一一步步预预言言光光是是一一种种电电磁磁波波动动，诞诞生生了光的电磁理论。了光的电磁理论。赫赫兹兹（H.R.Hertz）通通过过一一系系列列实实验验于于1888年年证证实实了电磁波的存在。了电磁波的存在。麦克斯韦（麦克斯韦（J.C.Maxwell）的贡献：）的贡献：电磁波的实验证实：电磁波的实验证实：绪绪 论论2.光的本性光的本性为为寻寻找找“以以太太”介介质质，迈迈克克耳耳孙孙（A.A.Michelson）和和莫莫雷雷（E.W.Moley）于于1887年年设设计计出出一一台台精精密密的的干干涉涉仪仪，试试图图以以此此观观察察地球相对地球相对“以太以太”的运动。的运动。结结论论：通通过过任任何何实实验验都都不不可可能能观观察察到到地地球相对于以太运动的任何效应。球相对于以太运动的任何效应。麦克斯韦电磁理论的缺陷：麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是通过假定光波是通过“以太以太”传播的。传播的。1905年年，爱爱因因斯斯坦坦（A.Einstein）发发表表了了著著名名的的狭狭义义相相对对论论，彻彻底底否否定定了了“以以太太”的的存存在在；同同时时还还假假设设，光光在在真真空空中中始始终终是是以以恒恒定定的的速速度度传传播播，与与光源或观察者的运动状态无关。光源或观察者的运动状态无关。绪绪 论论2.光的本性光的本性(7)电磁波动说的困境电磁波动说的困境v 激光与新效应激光与新效应v 光是一种特殊的客体，具有波粒二象性光是一种特殊的客体，具有波粒二象性对对于于黑黑体体辐辐射射和和光光电电效效应应实实验验，无无论论采采用用何何种种假假设设，只只要要是是以以电电磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。(8)量子论的提出量子论的提出v 普朗克（普朗克（M.Planck）的黑体辐射公式）的黑体辐射公式v 爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程v “光子（光子（photon）”概念的提出概念的提出(9)光的本性的再认识光的本性的再认识绪绪 论论2.光的本性光的本性激光技术，信息光学，非线性光学，导波光学激光技术，信息光学，非线性光学，导波光学以以望望远远镜镜、显显微微镜镜、光光谱谱仪仪、干干涉涉仪仪、照照相相机机等等为为代代表表的的各各种种光光学学仪仪器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的应用器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的应用现代光学的重要标志：现代光学的重要标志：传统光学的研究对象：传统光学的研究对象：绪绪 论论3.现代光学的主要标志现代光学的主要标志(1)激光的发明过程激光的发明过程激激光光名名称称的的由由来来：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受受激激辐辐射射激激发发的的光光放放大大），缩缩写写为为LASER。故故最最初初的的中中文文名名称称为为音音译译：“镭镭射射”、“莱莱塞塞”。1964年年由由钱钱学学森森教教授授取取名名为为“激激光光”。爱爱因因斯斯坦坦的的预预言言（1916）：在在组组成成物物质质的的原原子子中中，有有不不同同数数量量的的粒粒子子（电电子子）分分布布在在不不同同的的能能级级上上，高高能能级级上上的的粒粒子子受受到到某某种种光光子子的的激激发发，会会从从高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级级上上，相相应应地地会会辐辐射射出出与与激激发发它它的的光光相相同同性性质质的的光光受受激激辐辐射射。在在一一定定条条件件下下，如如果果能能使使原原子子和和分分子子的的受受激激辐辐射射去去激激发发其其他他粒粒子子，造造成成连连锁锁反反应应，雪雪崩崩似似地地获获得得放放大大效效果果，就就可可能能获获得得单单色色性极强的辐射。性极强的辐射。绪绪 论论3.现代光学的主要标志现代光学的主要标志1950年年：中中学学教教师师阿阿卡卡斯斯特特勒勒同同让让布布罗罗塞塞尔尔发发明明“光光泵泵激激”技技术术。这这一一发发明后来被用来发射激光，并使他在明后来被用来发射激光，并使他在1966年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。1951年年：查查尔尔斯斯汤汤斯斯（C.H.Townes）教教授授成成功功地地制制造造出出了了世世界界上上第第一一个个“微微波波激激射射器器”，即即“受受激激辐辐射射的的微微波波放放大大器器”。由由于于这这项项研研究究花花费费了大量的资金，因此这项成果被戏称为了大量的资金，因此这项成果被戏称为“钱泵钱泵”。1960年年7月月：梅梅曼曼（T.H.Maiman）用用汤汤斯斯的的研研究究成成果果红红宝宝石制成世界上第一台可见光的激光器。石制成世界上第一台可见光的激光器。1958年年：汤汤斯斯和和他他的的学学生生阿阿瑟瑟肖肖洛洛（1981年年获获得得诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖）在在物物理理评评论论杂杂志志上上发发表表了了他他们们的的“发发明明”关关于于“受受激激辐辐射射的的光光放放大大”的的论论文文。为此，汤斯于为此，汤斯于1964年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。激光的特点：激光的特点：高亮度、高单色性、高方向性。高亮度、高单色性、高方向性。激激光光技技术术的的应应用用领领域域：通通信信、测测距距、制制导导、信信息息处处理理、材材料料制制备备与与加加工工、医医疗、生化、光谱学、农业育种、激光武器以及激光核聚变等。疗、生化、光谱学、农业育种、激光武器以及激光核聚变等。绪绪 论论3.现代光学的主要标志现代光学的主要标志(2)信息光学（光学信息处理）的形成过程信息光学（光学信息处理）的形成过程自自20世世纪纪60年年代代初初：激激光光的的发发明明提提供供了了高高度度相相干干光光，利利思思（E.N.Leith）和乌帕特内克斯（）和乌帕特内克斯（J.Upatnieks）改进了全息术。）改进了全息术。1873年年：阿阿贝贝（E.Abbe）提提出出的的显显微微镜镜成成像像理理论论，1906年年：波波特特（A.B.Porter）完成实验验证。）完成实验验证。1935年年：策策尼尼克克（F.Zernike）提提出出相相衬衬显显微微术术，并并依依此此由由蔡蔡司司工工厂制成相衬显微镜。厂制成相衬显微镜。1948年：年：伽柏（伽柏（D.Gabor）提出波前记录与再现的）提出波前记录与再现的全息照相全息照相思想。思想。自自20世世纪纪50年年代代中中：开开始始把把数数学学、电电子子技技术术和和通通信信理理论论与与光光学学结结合合起起来来，给给光光学学引引入入了了频频谱谱、空空间间滤滤波波、载载波波、线线性性变变换换及及相相关关运运算算等等概概念念，更更新新了了经经典典成成像像光光学学，形形成成了了所所谓的谓的“傅里叶（傅里叶（Fourier）光学）光学”。绪绪 论论3.现代光学的主要标志现代光学的主要标志(3)非线性光学的内涵非线性光学的内涵 首首先先得得益益于于光光学学非非线线性性效效应应的的是是信信息息光光学学。从从这这些些非非线线性性效效应应中中，人人们们受受到到了了启启示示，进进而而发发现现或或发发明明了了一一系系列列可可用用于于光光学学信信息息处处理理的的非非线线性性光光学学器器件件。此此外外，由由非非线线性性效效应应引引出出的的激激光光光光谱谱学学，包包括括激激光光拉拉曼曼光光谱谱学学、高高分分辨辨率率光光谱谱和和皮皮秒秒超超短短脉脉冲冲，以以及及可可调调谐谐激激光光技技术术的的出出现现，已已使使传传统统的的光光谱谱学学发发生生了了很很大大的的变变化化，成成为为深深入入研研究究物物质质微微观观结结构构、运运动动规规律律及及能能量量转换机制的重要手段。转换机制的重要手段。当当具具有有一一定定强强度度的的单单束束或或多多束束激激光光通通过过某某些些光光学学介介质质时时，介介质质的的极极化化不不仅仅包包含含光光波波场场的的一一次次方方的的作作用用（线线性性作作用用），而而且且还还包包含含了了二二次次、三三次次甚甚至至更更高高次次方方的的作作用用（非非线线性性作作用用），并并且且与与极极化化的的历历史史，或或者者说说极极化化过过程有关。程有关。绪绪 论论3.现代光学的主要标志现代光学的主要标志(4)导波光学的影响导波光学的影响 光光纤纤已已成成功功地地用用于于微微光光夜夜视视仪仪、射射线线光光增增强强器器、工工业业和和医医用用内内窥窥镜镜及及安安全全监监测测系系统统和和高高灵灵敏敏度度非非接接触触测测量量。光光纤纤制制导导已已成成为为加加强强现现代代军军事事装装备备的的关关键键技技术术之之一一。光光纤纤还还可可以以做做成成各各种种有有源源微微型型器器件件，如如光光纤纤激激光光器器、光纤放大器、光纤倍频器光纤放大器、光纤倍频器等。等。1966年年，33岁岁的的高高锟锟博博士士首首次次提提出出，直直径径仅仅几几微微米米的的透透明明玻玻璃璃纤纤维维有有可能可能作为导光与光信号传输的有效手段作为导光与光信号传输的有效手段。1970年，年，美国康宁玻璃公司美国康宁玻璃公司首次拉制出了首次拉制出了第一根可实用的光纤第一根可实用的光纤。绪绪 论论3.现代光学的主要标志现代光学的主要标志 光子学是一门研究光子的产生、放大、传输、控制和探测，以及把这些技术应用于能量产生、通信、信息处理等的科学。光光子子的的特特性性：玻玻色色子子，不不带带电电荷荷，不不易易发发生生交交互互作作用用。因因此此光光束束可可以以在在空空间间交交叉叉通通过过而而不不互互相相影影响响；光光子子在在真真空空中中的的速速度度为为常常数数光光速速c，不不受受RC时时间间常常数数的的限限制制；光光子子的的时时空空特特性性使使之之能能形形成成前前向向和后向的相位共轭波，用以补偿光波在传播中的畸变和失真。和后向的相位共轭波，用以补偿光波在传播中的畸变和失真。绪绪 论论4.光学的发展趋势光学的发展趋势光子学的崛起光子学的崛起(1)光子学包含的分支学科光子学包含的分支学科 基基础础理理论论：光光物物理理学学、激激光光物物理理学学、非非线线性性光光学学、激激光光光光谱谱学学、量量子子光光学学、电电光光学学、声声光光学学、集集成成光光学学、导导波波光光学学、纤纤维维光光学学、全全息息光光学学、相相位共轭光学等。位共轭光学等。系系统统技技术术：光光通通信信技技术术、激激光光加加工工技技术术、激激光光雷雷达达和和精精密密测测量量技技术术、激激光光制制导导和和光光纤纤制制导导技技术术、光光信信息息处处理理和和光光计计算算技技术术、激激光光全全息息技技术术、激激光分离同位素和激光引发核聚变技术、光学遥感技术等。光分离同位素和激光引发核聚变技术、光学遥感技术等。基基础础技技术术：红红外外技技术术、激激光光技技术术、超超短短光光脉脉冲冲技技术术、激激光光光光谱谱技技术术、激激光光谐谐振振腔腔技技术术、激激光光选选模模技技术术、激激光光调调Q技技术术、激激光光调调谐谐技技术术、激激光光锁锁模模技技术术、激激光光稳稳频频技技术术、变变频频技技术术、放放大大技技术术、滤滤波波技技术术、外外差差接接收收技技术、调制和解调技术、编码和解码技术、光纤技术、光子集成技术等。术、调制和解调技术、编码和解码技术、光纤技术、光子集成技术等。绪绪 论论4.光学的发展趋势光学的发展趋势光子学的崛起光子学的崛起 元元器器件件、材材料料与与工工艺艺：激激光光器器（气气体体激激光光器器、固固体体激激光光器器、自自由由电电子子激激光光器器、半半导导体体激激光光器器、光光纤纤激激光光器器等等）、发发光光二二极极管管、光光电电探探测测器器、光光纤纤、光光波波导导、光光开开关关和和光光隔隔离离器器、光光调调制制器器、光光存存储储器器、光光学学和和光光纤纤传传感感器器、集集成成光光路路、光光电电子子集集成成回回路路和和光光子子集集成成回回路路、光光子材料和光电子材料以及有关生产技术等。子材料和光电子材料以及有关生产技术等。交交叉叉应应用用学学科科：兵兵器器光光学学、激激光光化化学学、激激光光生生物物学学、激激光光医医学学、激激光光农业等。农业等。绪绪 论论4.光学的发展趋势光学的发展趋势光子学的崛起光子学的崛起光光子子学学绝绝不不是是这这些些分分支支的的概概念念、知知识识、理理论论等等的的简简单单堆堆积积，而而是是从从更更高高的的高高度度，即即在在光光子子的的层层次次上上进进行的融合、贯通、统一和升华。行的融合、贯通、统一和升华。注注 意意绪绪 论论4.光学的发展趋势光学的发展趋势光子学的崛起光子学的崛起(2)(2)光子学研究的特点光子学研究的特点 光子学研究的最终目的是发展光子技术。光子学研究的最终目的是发展光子技术。光光子子技技术术已已对对许许多多自自然然科科学学和和技技术术科科学学产产生生深深刻刻的的影影响响，并将成为推动未来信息时代发展的主要动力。并将成为推动未来信息时代发展的主要动力。光光子子学学研研究究中中涉涉及及到到了了许许多多新新观观念念和和新新思思维维，如如量量变变与与质质变变、线线性性与与非非线线性性、有有序序与与无无序序、宏宏观观与与微微观观、有有限限与与无无限限、定定态态与与瞬瞬态态、近近似似与与严严密密、变变换换性性、逆逆反反性性、互互易易性性、互互补补性性、协同性协同性等。等。绪绪 论论4.光学的发展趋势光学的发展趋势光子学的崛起光子学的崛起 物物理理学学的的发发展展曾曾一一次次次次引引起起科科学学技技术术的的革革命命。作作为为物物理理学学的的重重要要分分支支，光光学学科科学学的的发发展展曾曾在在历历次次科科技技革革命命中中起起着着重重要要角角色色。在在当当今今世世界界的的经经济济、科科技技、军军事事等等众众多多领领域域中中，电电子子技技术术与与电电子子产产业业具具有有举举足足轻轻重重的的地地位位。因因此此，如如果果说说目目前前的的光光子子学学正正处处于于20世世纪纪六六七七十十年年代代电电子子学学的的地地位位，那那么么不不久久的的将将来来，光光子子学学无无疑疑将将得得到到迅迅猛猛发发展展，并并迎迎来来一一个个光光子子时时代代及其顶峰时期。及其顶峰时期。绪绪 论论4.光学的发展趋势光学的发展趋势光子学的崛起光子学的崛起(5)尽量结合光学实验学习尽量结合光学实验学习(1)保持良好的学习心态保持良好的学习心态(2)理解基本概念、基本原理及其基本使用条件理解基本概念、基本原理及其基本使用条件(3)适当的课前预习可以使课堂听讲更容易抓住重点适当的课前预习可以使课堂听讲更容易抓住重点(4)课课后后复复习习要要善善于于总总结结提提炼炼，找找出出规规律律和和尚尚未未理理解解的的问问题题，及时答疑及时答疑绪绪 论论5.光学课程的学习方法光学课程的学习方法(6)及时完成作业及时完成作业如何做课程笔记与总结？如何做课程笔记与总结？v 课堂笔记课堂笔记v 课后笔记整理课后笔记整理v 课程总结课程总结讲课大纲讲课大纲重点重点问题问题完整的课程要点完整的课程要点公式推导公式推导问题的理解问题的理解课程主线课程主线基本概念基本概念基本数学处理方法基本数学处理方法绪绪 论论5.光学课程的学习方法光学课程的学习方法如何保持良好的学习心态？如何保持良好的学习心态？v 乐学乐学以宽容的态度、愉快的心情以宽容的态度、愉快的心情v 勤问勤问问书本、问自己、问他人问书本、问自己、问他人v 换位思考换位思考v 富于责任感与使命感富于责任感与使命感绪绪 论论5.光学课程的学习方法光学课程的学习方法书山有路勤为径学海无涯苦作舟绪绪 论论5.光学课程的学习方法光学课程的学习方法