第二章 光学和光子学基本知识

光学和光子学基本知识王成 (博士) 医疗器械工程研究所

讲述提纲

光学概述一、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，波动光学的发展史 四、光子学概述

光学基本原理和概念

一、光学的科学体系

光学：是研究光的本性,光的传播以及它和物 质相互作用的学科。 1.几何光学：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的问题。 4.现代光学：20世纪后半期发展起来的很庞大 的体系。

1.几何光学

: 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),是费马原 理的必然结果,也是光波衍射规律的短波近 似。 它们在方法上是几何的，在物理上不 涉及光的本质。 几何光学主要是从直线传播，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：

研究光的波动性(干涉、衍射、偏振)以及用波 动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。 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：如何描述、识别、分解、改造、记录和再 现波前，构成了波动光学的主线

3.量子光学

把光视为一个个分立的粒子,它主要用于分 析辐射、光发射以及某些在物质的微观结 构起重要作用时光与物质的相互作用现象。 在这领域内有时可用经典理论，有时需用 量子理论。对于这类原不属于传统光学的 内容，有人冠之以“分子光学”或“量子 光学”等名称，也有人把它们仍归于物理 光学之内。

4.近代光学：

1948年全息术的提出，1955年光学传递函数的建 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，源于光学薄膜的研究和薄膜技 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；它利用系统概念和频谱语言来描述光 学变换过程，形成了光学信息处理的内容. 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学 领域；

4.近代光学：

非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介 质已不满足线性叠加原理时所产生的一些新现象， 如倍频,混频,自聚焦等; 对光导纤维的研究形成了纤维光学或导波光学; 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信 得到迅速发展和应用,成为人类在20世纪最重要 的科技成就; 非线性光学,信息光学及集成光学等理

论与技术 的结合可能会导致新一代计算机—光计算机的诞 生.据预测它将部分实现人脑的功能(如学习和联 想)

二、对光学现象的发现与认识

1.对光的早期认识 2.几何光学规律的发现 3.波动光学现象的发现

17世纪中叶以前的认识

如前所述：主要有触觉论、发射论两种。 公元10世纪：发射论完全取代触觉论。 完成了人类对光本性认识的第一次飞跃。

1.对光的早期认识

公元前5世纪：人们就已经考虑视觉是如何 产生的。提出两种假设：触觉论、发射论。 触觉论：如同手触摸物体，但不能解释黑 暗中看到物体的现象。 发射论：物体发射“光”。 公元10世纪：发射论完全取代触觉论。

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、 阴影形成、光的反射和凹凸面镜反射成像等规 律。 公元前3世纪：古希腊欧几里德Euclid也发现了 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(W.Snell)从 实验上发现了折射定理,而法国的笛卡儿 (R.Descartes)第一个把它表示为现代的正弦 形式;1657年费马(P.deFermat)提出了著名的费 马原理.

3.波动光学现象的发现

17世纪： 50年代，意大利的格里马第(F.M.Grimaldi)首次 详细地描述了衍射现象； 英国的胡克(R.Hooke)和玻依耳(R.Boyle)各自独 立地发现了现称为“牛顿环”的在白光下薄膜的彩 色干涉图样; 牛顿(I.Newton)进行了棱镜分光实验,并分析了 “牛顿环” 的生成及色序问题。 60年代，丹麦的巴塞林那斯(E.Bartholinus)发现 了双折射现象。 70年代荷兰的惠更斯(C.Huygens)进一步发现了 光的偏振现象。

三、对光本性的认识，波动光学的 发展史

17世纪中叶以前的认识 17世纪中叶至19世纪的认识： 光的波动说和微粒说 20世纪的认识：波粒二象性

2.17世纪中叶至19世纪的认识

人类对光本性的认真探讨始于17世纪，主 要有两个对立的学说——光的波动说和微 粒说 微粒说的内容、贡献、存在的主要问题。微粒说认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流; 直接说明了光的直线传播定律,并能对光的反射,折射作一 定的解释; 用微粒说研究光的折射定律时,得出了光在水中的速度比 空气中大的结论.

17世纪中叶至19世纪的认识

波动说的内容、贡献、存在的主要问题。胡克明确主张光由振动组成,每一振动产生一个球面并以高速 向外传播,此为波动说的发端; 1690年惠更斯在其著作<<论光>>中提出光是在一种特殊弹性 媒质中传播的机械纵波. 19世纪初,托马斯.扬和菲涅耳等人的工作将波动说

大大推向前 进,解释了光的干涉和衍射现象,根据光的偏振现象确认光为横 波; 用波动说研究光的折射定律时,得出了光在水中的速度比空气 中小的结论,并于1862年被傅科的实验所证实. 特殊弹性媒质始终未能找到.

17世纪中叶至19世纪的认识

光的电磁理论的提出、主要贡献和问题。 19世纪60 年代,麦克斯韦建立电磁理论,预 言了电磁波的存在,并根据电磁波的速度与 光速相等的事实,麦克斯韦确信光是一种电 磁现象, 1888年赫兹实验发现了无线电波,证明了麦 克斯韦电磁理论的正确性. 特殊弹性媒质“以太”始终未能找到

20世纪的认识

经典物理的困难 1887年迈克而逊和莫雷实验,否定了“以太”假说, 以“静止以太”为背景的绝对时空观遇到了根本 困难; 瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁理论,导出黑 体辐射公式,它要求辐射能量随频率的增大而趋于 无穷. 上述经典物理的困难预示着近代物理学两个革命 性的重大理论—相对论和量子论的诞生.

20世纪的认识

光的某些方面的行为象经典的“波动”,光的 波动性，也不是惠更斯所说的波，而是几率 波。遵循统计规律。 另一某些方面的行为象经典的 “粒子”. 实际上“波动”和 “粒子”都是经典物理的 概念.近代科学实践证明,光是一个十分复杂的 客体,对于它的本性问题,只能用它所表现的性 质和规律来回答,任何经典的概念都不能完全 概括光的本性. 波粒二象性是一切物质所共有的特性。

光的波粒二象性简单地说，大量光子显波动性，少量 光子显粒子性，光在传播过程中主要 表现为波动性，当光与物质相互作用 时，主要表现为粒子性。

光的粒子性1900年普朗克提出电磁辐射的能量子假设。 1905年爱因斯坦发展了量子假说，提出了 光量子理论，认为光在本质上是由确定能量 的光子(光量子)组成。光子的能量与光的 频率成正比。