波动 光学

1. 波动光学 广州大学物理与电子工程学院 主讲人：刘翠红

2. 前言 一、研究对象和内容 • 光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科 • 波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

3. 前言 一、研究对象和内容 传统内容主要有：光的干涉、衍射和偏振现象，光在各向同性介质中的传播规律（包括光的反射和折射，光的吸收、色散和散射规律），光在各向异性晶体中的传播规律等，以及在各领域中的应用。 近代发展的内容：薄膜光学理论、全息照相、光学信息处理...

4. 二、波动光学的应用 波动光学是一门应用性很强的学科。特别是激光问世后，它在科学技术各部门中的应用十分广泛，尤其在生产和国防上有着重要的应用。 今天，它已经被应用到通信、医疗、受控热核反应、航天、信息处理等高新技术领域，为科学技术的发展、生产的发展和巩固国防做出贡献。 在精密测量方面，各种光学零件的表面粗糙度、平面度，以及长度、角度的测量，至今最精确的仍然是波动光学方法。 另外，还用波动光学方法测量光学系统的各种像差，评价光学系统的成像质量等。

5. 二、波动光学的应用 以光的干涉原理为基础的各种干涉仪器，是光学仪器中数量颇多且最为精密的一个组成部分。根据衍射原理制成的光栅光谱仪，在分析物质的微观结构（原子、分子结构）和化学成分等方面起着最为主要的作用。 近几十年来，由于现代光学的崛起，发展了一批新型的光学仪器，如相衬显微镜、光学传递函数仪、傅里叶变换光谱仪，以及各种全息和信息处理装置、电光和光电转换（光电池、CCD）装置、激光器等。它们在物质结构分析、光通信、光计算（光学计算机）、成像和显示技术、材料加工、医学和军事等方面的应用越来越重要。 可见，学好本课程对于光学工程专业、光电信息工程专业的学生在专业上的发展是何等重要。

6. 三、波动光学发展历史 光学的萌芽时期可以追溯到2000多年前，墨子在所著的《墨经》中记载了光的直线传播、小孔成像等光学规律；古希腊欧几里德（Euclid）在其著作中也有光的直线传播和反射定律的记载。 不过，对光的物理本性进行认真研究却是从17世纪开始的。 当时，有两种关于光的本性的说法：以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说。 前者认为光是具有有限速度的粒子流，后者认为光是在“以太”（一种假想的弹性媒质）中传播的波。 由于当时牛顿在物理学界享有至高无尚的权威，人们普遍地接受光的微粒说。

7. 三、波动光学发展历史 到了19世纪前半叶，一连串的实验事实和根据波动说对这些实验的成功解释，才使人们完全地抛弃微粒说，确信光的波动说。 这些实验主要是：杨氏和菲涅耳等人的干涉实验、衍射实验、马吕斯的反射光偏振实验以及傅科测量水中光速实验（结果是水总光速小于空气中光速）。这样，在19世纪，光是波动的问题似乎最后被解决了。

8. 三、波动光学发展历史 惠更斯，菲涅耳等人的波动说在光波的传播媒质——“以太”问题上却遇到了困难。 为了说明光具有极大传播速度的实验事实，必须假想“以太”的一些奇特性质：密度极小和弹性模量极大。这显然是荒谬的，同时也表明物理光学的基础还停留在不能令人满意的状态。 这种状态的改变一直延续到19世纪60年代，其时，麦克斯韦在总结前人在电磁学方面的研究成果的基础上，建立起一套完整的电磁场理论。他预言了电磁波的存在，并指出光是一种波长很短的电磁波。

9. 三、波动光学发展历史 由于按照光的电磁波理论去阐明光学现象非常成功，也由于后来迈克耳孙和莫雷的实验否认了“以太”的存在，所以人们就自然地放弃了惠更斯、菲涅耳的机械波理论，而接受光的电磁波理论。 历史表明，建立在电磁波理论基础上的物理光学学说是物理光学发展进程中的一个重大飞跃。 波动光学在20世纪也有了长足的发展，尤其是激光问世后，发展的势头很猛。 自然科学的发展是无止境的！

10. 波动性 （惠更斯波动说） 粒子性 （牛顿微粒说） 反射、折射 反射、折射、干涉、衍射 波粒二象性 粒子性 （爱因斯坦、康普顿光子说） 波动性 （麦克斯韦、赫兹光的电磁理论）

11. 四、本课程主要内容 • 光的电磁理论 • 光的干涉及应用 • 光的衍射与现代光学 • 光的偏振和晶体光学器件

12. 五、参考文献 物理光学（第3版） 梁铨廷 电子工业出版社 2008 物理光学学习指导与题解 刘翠红 电子工业出版社 2009

13. 五、参考文献 1.赵凯华,钟锡华, 《光学》（上、下）, 北京：北京大学出版社, 2008 2.母国光, 战元龄,《光学》, 北京：人民教育出版社,1979 3.曲林杰等《物理光学》，北京：国防工业出版社，1980 4.叶玉堂 《光学教程》，北京：清华大学出版社 5.章志鸣等，《光学》,北京： 高等教育出版社，2009 6.M.玻恩，E.沃耳夫《光学原理》（第七版）, 杨葭荪译 北京：电子工业出版社, 2009 7.A.加塔克，光学，梁铨廷等译，机械工业出版社，1984 A.加塔克 Optics　（第四版）清华大学出版社 2010 8.J.P.马蒂厄，光学（上、下） ，1987

14. 五、参考网站 国内 http://www.ovbbs.com光谷社区http://www.oecr.com光电工程师社区 http://33tt.com飞达光学网 http://www.photics.net松铖光学http://www.laserworld.com.cn激光世界 http://www.cofol.com中国光学薄膜在线 http://www.coema.org.cn中国光学光电子行业网 http://www.opticsjournal.net中国光学期刊网

15. 国外 http://www.optics2001.com http://www.opticsexpress.org光学快报 http://www.iop.org/EJ（期刊中心） http://www.optics.net http://www.opticsnotes.com/ http://www.optiwave.com http://ab-initio.mit.edu/（MIT光物理实验室） http://www.physics.gla.ac.uk/Optics/publications/ （英国University of Glasgow） http://mapageweb.umontreal.ca/hamamh/teach.htm (光、电 信号处理英文教程) http://cord.org/cm/new/viewleot.htm（激光，光电英文教程） http://cheville.okstate.edu/photonicslab/Resources/tutorial/Alignment/alignment_tutorial.htm（在线教程） http://www.lightandmatter.com/index.html（在线教程） http://www.lightmachinery.com/library.html http://www.photonics.com/（光子工业资源）