中科大光学讲义00引言.docx

《中科大光学讲义00引言.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中科大光学讲义00引言.docx（8页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、引言细推物理须行乐，何用浮名绊此身？ 杜甫曲江二首之一人每时每刻都在呼吸着，所以并不觉得呼吸是一种幸福。但如果不能呼吸了， 将会怎样？物理学对于我来说就像呼吸一样。 李政道光是什么？起初，上帝创造天地。上帝说：“要有光”，于是就有了光。.这是头一 日。 圣经创世纪任何一门物理学科，都必须解决研究对象的两个问题：是什么？怎么样？人来到世间，睁开眼就看到了光，光伴随一个人的终生。那么，如果问：“光 是什么？ ”不同的人将会有不同的答案。光是视觉，是眼睛所见。光是光线。光是一种电磁波。光是能量子。对于上述种种答案，既可以说是对的，又可以说不是完全对的。那么，光到 底是什么呢？或者我们站在物理学的角度

2、问，光的本质是什么？要给出一个完全正确的答案，现在看来还为时过早。也许这个问题永远也没 有一个终极正确的答案。我们常说，要了解一个人，应当“察其言而观其行”，也就是说，要通过对其 表现的观察，来判断他到底是一个什么样的人。那么，对于光，也可以按照这一 原则进行研究。人们对事物的本质和规律的认识，都是从认识其现象开始的。而现象，则是 通过该事物与环境和其它事物的相互作用而表现出来的。于是我们就可以从光与 其它物质的相互作用所产生的效果进行研窕。首先，光能够对眼睛产生刺激并由此在头脑中形成图像。人眼可以感觉到光 的颜色、光的方向和光源的位置。人能够看到物体，是由于物体所发出的光，即 包含各种颜色、

3、来自各个地点、具有各种角度的光进入我们眼睛的原因。人眼所 见的物体要么本身发光，要么反射来自其它物体的光。除此之外，光还能使物体 发热，说明光还具有能量。这是人们在日常生活中对光的认识，当然是肤浅的。 如果仅仅限于对现象的描述，还不能成为一门科学。其次，可以发现光是遵循着一定的规律进行传播、反射和折射的，这种规律 可以用几何上的线，即光线，进行描述。如果再深入进行观察的话，将会发现，光会出现干涉、衍射等等现象，而干 涉和衍射是波的特征，那么，光无疑又是一种波。但是，研究又发现，如果认为光是波的话，则无法解释诸如黑体辐射、光电 效应等等现象，于是，光的量子说又出现并得到认可。而且，从光量子的角度

4、， 也能够解释干涉、衍射等波动现象。有了更加准确的光量子学说，是否意味着在此之前的光线、光波等等概念是 错误的，而应该加以摒弃呢？在回答这个问题之前，我们应该想一下，光量子的学说难道就是对于光最本 质的解释吗？事实上，无论是光线理论、波动理论还是光量子理论，既反映了在不同的历 史阶段人们对于光的认识，也反映了光在与不同物质相互作用时所表现出来的特 性。在研究光的反射折射和成像等问题时，用光线理论是最合适的；而在处理光 的衍射、干涉等问题时，采用光的波动理论则最合适。对于诸如光电效应、黑体 辐射等问题，则只有采用光量子理论来解决。所以，直到目前为止，上述三种理 论仍然是组成光学的重要内容，都在不

5、断获得发展、并在应用中取得了巨大的成 功。所以，可以这么说，光线、光波、光量子，都是物理学中为了研究光而引入 的模型。二、光的物理模型在物理学中，人们要建立一门学科，总要先定义一些物理概念。物理概念是 对某种物质或现象的木质的描述和概括，反映了人们对事物认识的程度。因而在 不同的阶段，同一概念所包含的内容是不同的。为了使物理概念形象化，人们往往建立物理模型来反映研究对象。例如，分 子、原子、电子都是模型，电磁波也是模型。宏观物体的运动可以用质点运动模 型来描述，微观粒子的运动可以用量子模型描述。由于概念不断变化，反映概念 的模型也不断改进更新。对于光的认识，也是这样的一个过程。一方面，随着研

6、究的深入，光的物理模型发生了变化；另一方面，光与不同物质相互作用时，表 现出不同的特性，所以可以用不同的物理模型来描述光。描述光的一个重要物理量是光的波长，可以用光的波长作为一种度量的尺度 或标准，光在与不同尺度的物体作用时，表现出不同的特征，因而可以用不同的 物理模型来描述。1.光的宏观表现如果观察光与宏观物体，即尺度比光的波长大得多的物体相互作用，则可以 用光线这一模型来描述其规律，光的直线传播定律、反射定律、折射定律等就是 关于光线的定律，由此构成几何光学。几何光学中最基本的概念是光线，即认为 光是由一束束的几何线组成。几何光学是关于光的一个唯象理论，只是利用几何线来描述光在媒质中的传

7、播、反射和折射，主要用来处理光的成像问题。对于光的物理本质并不涉及。所 以，无法从理论上说明光是如何传播的，也无法定义和导出光速、波长等概念。1）光与小尺度物体的作用光与介观尺度的物体，即尺度与波长可以比拟的物体相互作用时，则表现出 典型的波动特性，可以进行干涉、衍射。描述光的波动性的理论被称作波动光学。波动光学是经典光学的核心内容，就是认为光是电磁辐射频谱的一段，即光 就是电磁波，从MaXWeIl方程组出发，可以解决波动光学中诸如反射、折射、干 涉、衍射、偏振、散射、色散等等问题。2）光在原子尺度上的表现由黑体辐射导致的“紫外灾难”，在1900年由Plank用量子假设解决。1905年，Ein

8、stein用量子假设成功解释光电效应。1921年，Compton用光量子解释了X射线与电子的散射。从此以后，光量子的理论开始登上历史舞台，并获得了极大的成功。光的量 子理论的核心是光具有波粒二象性切量子现象的基本属性。但这里的“波动和“粒子”的含义与最初HUygenS所提出的波动性和NeWton所提出的粒子 性是根本不同的。综上所述，光线、光波、光量子等，都是光的物理模型，以这些物理模型作 为最基本的假设和出发点，分别建立了几何光学、波动光学和量子光学。它们都 是光学的重要分支，构成了现代光学的基本内容；既相互关联，遵循相同的物理 规律，又相对独立，各有不同的应用领域和适用范围。在实际中，往往

9、要根据具 体的情况，按照简捷实用的原则，采用不同的模型和理论处理不同的问题。三、光学的发展及其成就光学是物理学的一个重要组成部分，也是一门基础学科。但是，自古以来， 即使是在真正意义上的物理学诞生之前，人们就已经根据所积累的经验和知识对 光进行研究和利用。墨经，成书于公元前43世纪，据后人研究，其中有8条论述了几何光 学知识(见钱临照释墨经中之光学、力学诸条，最初发表于1940年的李 石曾先生六十岁寿辰纪念论文集，后又发表于科学通报，2卷8期，1951) o 阐述了影、小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜成像，还说明了焦距和物体成像 的关系。但由于年代久远，散佚严重，真讹难辨。光学或译作反射光学，

10、前32世纪，古希腊Euclid (约公元前330 275)著，己指出光在平面上反射时，入射角等于反射角。其后研究了光的折射等 成像规律，并制成了一些光学器件。几何光学的最初发展就是源于天文学和解剖学的需要。因为光学仪器在天文 学和解剖学的研究中有着重要作用，在人们不断研究、制造光学仪器的过程中， 几何光学形成了。阿拉伯学者阿勒哈增(9651038)在视觉生理学方面进行过深入的研究。 他认为，视觉是在玻璃体中得到。“网膜”“角膜”、“玻璃状体”、“前房液” 等术语都是阿勒哈增的发明。阿勒哈增从希腊人那里学到了反射角的定律， 并对光在球面和其它曲面镜上的反射作了进一步的研究，他指出，入射线、反射

11、线以及法线都位于同一平面上。1572年，阿勒哈增的光学专著光学全书被 译成拉丁文出版。十七世纪初，德国天文学家开普勒由于革新天文望远镜的实际需要对几何光 学进行了研究。1604年他发表了一篇论文，对光的反射现象、光的折射现象及视 觉现象作了初步的理论解释。1611年，他又出版了一部光学著作，其中记载了他 的两个重要试验，对几何光学作了进一步的理论探讨，提出了焦点、光轴等几何 光学概念，发现了全反射。继开普勒之后，荷兰物理学家和数学家斯涅尔(Snen)对几何光学做出了系 统的、数学的分析。斯涅尔通过实验与几何分析，发现了光的反射定律和光的折 射定律。但斯涅尔在世时并没有发表这一成果。1626年，

12、他的遗稿被惠更斯读到 后才正式发表。折射定律的确立，促进了几何光学的迅速发展。在这一时期，笛卡儿等人也对光的反射、折射和色散等现象进行了研究，并 提出了自己的观点。1661年，法国的费马把数学家赫里贡提出的数学方法用于折射问题，推出了 折射定律，于是费马根据光的传播、反射和折射定律，提出了著名的费马原理： 光沿着所需时间为极值的路径传播。牛顿(NeWtOn)受到笛卡儿等人的著作的启示，在1672年成功地进行了分 光实验，一束白光经三棱镜折射后，不同颜色的光沿不同角度出射，形成彩色光 带。十七世纪，儿何光学初步形成并得到了蓬勃的发展。随着几何光学的发展，光的本质问题成了研究和争论的焦点。1704

13、年NeWton在其光学一书中提出微粒说，认为光是由一个个粒子组 成的，每个粒子可看做一个质点，遵守质点运动的规律，提出了完整的微粒说理 论，并得到牛顿派二百多年的支持。格里马第是光的波动说的提出者，波义耳和胡克是他的支持者；惠更斯继承 并完善了胡克的观点。HUygenS在1678年所出版的论光中完整地阐述了波动 说。认为光以波的形式存在和传播，遵循波动的规律。1809年，马吕斯在实验中 发现了光的偏振现象。1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振 现象的经验定律。另外在光的波粒之争中，光速的测定曾给他们提供重要的依据。在相当长的 时期内，许多人进行了测量光速的试验，事件排列如下：

14、1607年，伽利略(GalieO),第一次尝试测量光速，但由于方法简单，没有获 得结果。1676年，罗默(ORomer),天文学方法,c:215, 000kms。第一次提出了有 效的光速测量方法。1725年，英国天文学家布莱德雷发现了恒星的“光行差”现象，他用地球公转 的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒。这个数值较罗麦法 测定的要精确一些。1849年，斐索(FiZeau),在实验室中，用齿轮法，c=315,000kms。1851年，弗科(FoUCaUIt),用旋转棱镜法，298,000 500kms,且发现在水 中光的传播速度比真空(空气)中低。1928年，卡娄拉斯和米太斯

15、塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1972年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.4+0.1米/秒。除在波粒之争中的作用之外，光速的测定本身在光学的研究历程中也有着重 要的意义。1801年，T. YOUng在光通过双孔的实验中，首次观察到了与水波的干涉现 象相似的光的干涉现象。光经过双孔后，由于干涉，光能量在空间重新分布，出 现了一系列明暗相间的条纹。这一实验称为杨氏干涉。杨氏干涉实验证明了光的 波动性。托马斯杨进行光的干涉试验，第一次提供了测定波长的方法。其后，德国 物理学家弗琅和费对太阳光谱作了认真的检验，并向慕尼黑科学院展示了他自己 绘编的太阳光谱图，另外他还发明

16、了衍射光栅。此后，人们逐渐对光谱的性质重 视起来。1859年，基尔霍夫对光谱进行了深入的研究，他发现了物体吸收和发射本领 之间的联系。他和本生研究了各种火焰光谱和火花光谱，并在研究碱金属的光谱 时发现了钠和枷。他们发明了为光谱学的蓬勃发展打下坚实基础的光谱分析，发 明了光谱的可见光部分、紫外部分和红外部分的光谱学测量方法。随后，用光谱 方法人们又发现了几种金属元素。光谱分析对鉴定化学成分的巨大意义，使光谱 研究工作迅速发展。1868年，埃格斯特朗发表了“标准太阳光谱”，记有上千条弗 琅和费线的波长，数字十分精确，为光谱工作者提供了极有价值的资料。1882年， 劳蓝德制作了一个具有很高分辨率的光

17、栅干涉仪和高分辨率的干涉分光镜，这是 光学技术的伟大成就。在这一形势下，许多物理学家都试图寻求光谱的规律。1884年，瑞士的一位 中学数学教师巴耳末报告了他发现的氢光谱公式。这就是著名的巴尔末公式，正 是由于这个公式的启发，是的玻尔提出了著名的氢原子模型。从此光谱规律陆续 总结出来，原子光谱逐渐成为了一门系统的学科。1865年，Maxwell提出光的电磁波理论，后来光被证实是电磁波。至此，光的波动理论学说建立起来，形成了一个完整的理论体系。在那个年 代，物理学的其它分支，如力学、热学、电磁学也已经有了完备的理论体系，以 至于很多著名的物理学家，都认为物理学不再可能再有新的突破。然而，两个光 学

18、实验改变了这一局面：一个是关于黑体辐射的研究，另一个是迈克耳逊测量光 速的试验。黑体辐射早就有了很精确的实验结果，但是，当人们试图用物理学的理论对 这一结果进行解释时，却遇到了难以逾越的障碍，这一情况当时被称作“自外灾 难”，由于己有的理论无法解释黑体在短波段的辐射规律，物理学似乎面临着灭顶 之灾。在这一时期，1887年，赫兹发现了光电效应。光电效应同样也无法用已有 的理论进行解释。1900年，Pkmk提出了能量分立的谐振子假说，解决了黑体辐 射的“自外灾难”，1905年，EinStein用光量子的学说，成功地解释了光电效应。从公元1887年起，当迈克耳逊（Michelson ,公元1852

19、1931 ）和莫 雷（Morley ,公元1838 1923 ）在美国测量了光在通过以太沿着地球运动 的方向与地球方向成直角的速度，发现光的速度都是一样的，迈克耳逊因此认为 这个结果表明以太是随着地球运动的。可是公元1893年洛奇（Lodge ,公元 1851 - 1940）在伦敦发现，光通过两块快速转动的巨大钢盘时，速度并不改变， 表明钢盘并不把以太带着转。恒星的光行差也显示以太并不随着地球转动，这一 来，那种认为空间弥漫着一种物质以太，可以传递光波振动的见解，就因迈克耳 逊和莫雷的实验结果而被人放弃了。这一实验导致后来爱因斯坦在1905年提出了 相对论。相对论和量子理论的提出，标志着现代物

20、理学的建立。在现代物理学建立的 过程中，光学发挥了巨大的作用，功不可没。所以我们说，光学是经典物理学向 现代物理学发展和过渡的纽带和桥梁。必须强调的是，尽管光的量子理论已经完全确立，但是几何光学和波动光学 并没有没落，相反，即使到目前，它们都在不断发展，无论是基础理论还是实际 应用，都取得了极大的成就。几何光学理论，最初仅仅用于平面和球面成像，现在，各种非球面的消像差 成像镜头获得了越来越广泛的应用。从二十世纪三、四十年代起，波动光学在衍射和光信息处理领域中获得了极 大的发展，相衬方法（1935年）和全息术（1945年）发展起来；近场光学也获得 了广泛的应用。利用电光和磁光效应，研制出了大量的

21、光电子器件。结合了波动 光学和量子理论的激光更是极大地改变了我们的生活。光电子学、光子学、非线性光学等等许多基于波动光学和量子光学的新学科 也获得了飞快的发展。四、光学的特色与研究方法1 .物理学里我们有多近？物理学是一门自然科学，而且是一门非常重要的基础科学。我们在中学阶段 己经学过了物理学中关于力学、热学、光学和电磁学的内容，现在在大学里又要 学习，而且在许多著名的大学，物理学是作为一门公共必修课来学的。也就是说， 物理学是必须学习和反复学习的。这是为什么？让我们先来看看一个简单的例子。计算机是集合了最先进科技的产品。如果 对计算机的硬件加以简单的分析的话，我们将得到如下结论：首先看CPU

22、和内存，它们是超大规模集成电路。要实现超大规模集成电路， 从材料上说，要有半导体，而人们认识和发现半导体，是量子力学的结果。从制 备工艺上说，要有超微细的光刻，即利用LaSel或X-Ray对材料加工，而Laser 和X-Ray也都离不开量子力学。再看磁盘，当然是磁性材料，是磁学的成果。光盘是光电子学的成果。显示 器的扫描电子束和荧光粉也都是物理学的成果。也就是说，计算机的绝大部分都是物理学的成果，没有物理学、特别是没有 量子力学，是不会有计算机的。单从这一点来看，物理学在社会的发展和我们的 生活中充当了多么重要的角色。在现代社会中，认为物理学是一门纯粹的基础科 学、离我们的生活很遥远的说法显得

23、多么幼稚！I材料U半导体U量子力学制备=光刻U激光、X射线U量子力学磁学U固体物理学U量子力学光盘U光电干学阴极时线P麻电厂束U电磁学荧Jt构U冏体物理学液AAuWI体物理学等离fU冏体物理学2 .物理学的研究方法1）物理学是一门实验科学物理学是一门实验科学，因为物理学的研究对象是实实在在的物质，而不是 抽象的逻辑。所以必须通过观察得到结论。一切结论都是建立在物理实验的基础 之上的，而且一切结论都必须经过实验的检验。光学也不例外。2）物理学的理论体系NeWtOn所著的自然哲学的数学原理，被认为是物理学的基石和建立的标 志。从那时起，物理学的科学体系开始建立，物理学的研究对象被确定，物理学 的研

24、究方法逐步完善。仅仅从该书的名字中我们可以得到如下启示：物理学的研究对象一一自然的原理，物理学是自然哲学。物理学的理论体系一数学，用严格的数学理论阐述、推导和研究物理学的 规律。可以说，物理学就是将自然界的原理用数学理论加以阐述的科学体系。3）物理模型物理学中，为了概括事物的本质和特征，需要建立研究对象的模型。所谓模 型，就是模拟真实的一种形象化的构型。如质点、原子、电子等等，都是对真实 的模拟。有了模型，就可以对研究对象的特征进行描述、加以数学上的分析和推 导，从而很容易得出新的结论。所得到的结论同实验上的结果进行对比，如果一 致，说明模型是正确的，即“自洽”，否则，就要对模型进行修正。光学的发展过 程正体现了这一特点。从“光线”模型，到“光波”模型，再到“光子”模型， 对光的认识越来越深入，对光的描述越来越准确。所以说，新模型的建立，标志 着新理论的建立，模型不断被修正，标志着物理学不断发展、前进。