University of Electronic Science and Technology of China 列 1956 一，光学基础 1
1 University of Electronic Science and Technology of China 一．光学基础
University of Electronic Science and Technology of China 1956 口本章内容 1.光的基本属性 2. 电磁场基本方程 3. 光波的表示 4.光波的偏振 5。单色平面波的反射与折射 6.电介质及其折射率 7.波动方程 8。坡印亭矢量 9. 高斯光束 2
2 University of Electronic Science and Technology of China 1. 光的基本属性 2. 电磁场基本方程 3. 光波的表示 4. 光波的偏振 5. 单色平面波的反射与折射 6. 电介质及其折射率 7. 波动方程 8. 坡印亭矢量 9. 高斯光束 ❑本章内容
University of Electronic Science and Technology of China 1.光的基本属性 1956 >大约在公元前500年，恩培多克勒提出微粒说。 微粒说认为光是来自于发光物体的非常细小的粒子流。 >能解释光的反射与折射； > 光从空气折射进入水中，速度增大； >经牛顿发扬光大后很长时间占据统治地位。 >大约在1650年，波动说诞生（格里马第，笛卡尔） 波动说认为光是一种波动； > 纵波→横波； >能解释光的衍射、干涉、偏振； > 光从空气折射进入水中，速度减小； >惠更斯、菲涅耳、托马斯杨 3
3 University of Electronic Science and Technology of China 1. 光的基本属性 ➢大约在公元前500年，恩培多克勒提出微粒说。 微粒说认为光是来自于发光物体的非常细小的粒子流。 ➢ 能解释光的反射与折射; ➢ 光从空气折射进入水中，速度增大； ➢ 经牛顿发扬光大后很长时间占据统治地位。 ➢大约在1650年，波动说诞生 (格里马第，笛卡尔) 波动说认为光是一种波动； ➢ 纵波→横波； ➢ 能解释光的衍射、干涉、偏振； ➢ 光从空气折射进入水中，速度减小； ➢ 惠更斯、菲涅耳、 托马斯·杨
University of Electronic Science and Technology of China 1.光的基本属性 1956 第一次微波战争：(1650-1704) ● 导火索：格里马第的小孔实验与猜想 ·结果：微粒军团胜利； 原因： 1)牛顿威望太高 2)惠更斯已经去世，菲涅尔还未出生，波动军团群 龙无首。 3)光的千涉还没有被发现。 1801年，托马斯·杨双缝干涉实验拉开了第二次微波 战争的序幕
4 University of Electronic Science and Technology of China • 导火索：格里马第的小孔实验与猜想 • 结果：微粒军团胜利； • 原因： 1) 牛顿威望太高； 2) 惠更斯已经去世，菲涅尔还未出生，波动军团群 龙无首。 3) 光的干涉还没有被发现。 ➢ 1801年，托马斯·杨双缝干涉实验拉开了第二次微波 战争的序幕。 ➢第一次微波战争:(1650-1704) 1. 光的基本属性
University of Electronic Science and Technology of China 1.光的基本属性 1956 > 第二次微波战争：(1801-1850) 结果：波动军团胜利； 关键战役： )托马斯.杨的双缝干涉实验； 2)菲涅耳证明光是横波，解释光的偏振； 3)泊松根据菲涅耳的波动理论导出存在泊松斑，阿 拉果对泊松斑的实验验证； 4)傅科测定空气中光速大于水中。 5)麦克斯韦的电磁理论证实光是一种电磁波。 1887年，赫兹发现的光电效应又导致了第三次微波战 争。 5
5 University of Electronic Science and Technology of China ➢第二次微波战争:(1801-1850) • 结果：波动军团胜利； • 关键战役： 1) 托马斯.杨的双缝干涉实验； 2) 菲涅耳证明光是横波，解释光的偏振； 3) 泊松根据菲涅耳的波动理论导出存在泊松斑，阿 拉果对泊松斑的实验验证； 4) 傅科测定空气中光速大于水中。 5) 麦克斯韦的电磁理论证实光是一种电磁波。 ➢ 1887年，赫兹发现的光电效应又导致了第三次微波战 争。 1. 光的基本属性
University of Electronic Science and Technology of China 1.光的基本属性 1956 了 第三次微波战争：(1905-) ·结果：双方言和，共存共荣，光的波粒二象性初步确 立。 ·关键战役： 1)1887年，迈克尔孙与莫雷的“以太”漂移实验，基 本否定了以太的存在。 2)普朗克的量子化假设与爱因斯坦的光量子假说对光 电效应的完美解释； 3)密立根的油滴实验证明了电荷的量子性； 4)康普顿的散射实验证明了X射线的微粒性。 5)乔治.汤姆孙证明电子束具有波的性质。 6
6 University of Electronic Science and Technology of China ➢第三次微波战争:(1905-) •结果：双方言和，共存共荣，光的波粒二象性初步确 立。 •关键战役： 1) 1887年，迈克尔孙与莫雷的“以太”漂移实验，基 本否定了以太的存在。 2)普朗克的量子化假设与爱因斯坦的光量子假说对光 电效应的完美解释； 3)密立根的油滴实验证明了电荷的量子性； 4)康普顿的散射实验证明了X射线的微粒性。 5)乔治.汤姆孙证明电子束具有波的性质。 1. 光的基本属性
University of Electronic Science and Technology of China 8 1.光的基本属性 1956 >光的波粒二象性 历次的微波战争最终深化了人们对光的本性的 认识，人们终于认识到光既是粒子也是波，或 者说光具有波粒二象性。 ▣光的产生与接收：粒子性 ▣光的传播：波动性 7
7 University of Electronic Science and Technology of China ➢光的波粒二象性 历次的微波战争最终深化了人们对光的本性的 认识，人们终于认识到光既是粒子也是波，或 者说光具有波粒二象性。 光的产生与接收：粒子性 光的传播：波动性 1. 光的基本属性
University of Electronic Science and Technology of China 1.光的基本属性 1956 >光子 光的量子理论认为光是一种以光速c运动的光子流。它具 有波粒二象性，其波动属性（频率、波失、偏振)与其粒 子属性（能量、动量、质量)密切联系，并可归纳如下： 1)光子的能量E与光波频率v对应：E=hy 2) 光子的具有运动质量m且：m=hWc2 hk 3) 光子的动量与单色平面光波的波夫对应：D=派= 2元 A) 光子具有两种可能的独立偏振态，对应光波场的两个 独立偏振方向。 5) 光子具有自旋，自旋量子数为整数。大量光子的集合 服从波色-爱因斯坦统计分布规律，即处于同一状态的 光子数目没有限制，这是光子与其它服从费米统计分 布规律的粒子（电子、质子、中子)的重要区别。 8
8 University of Electronic Science and Technology of China ➢光子 光的量子理论认为光是一种以光速c运动的光子流。它具 有波粒二象性，其波动属性（频率、波矢、偏振）与其粒 子属性（能量、动量、质量）密切联系，并可归纳如下： 1) 光子的能量E与光波频率对应：E=h 2) 光子的具有运动质量m且：m= h/c2 3) 光子的动量与单色平面光波的波矢对应： 2 hk p k = = 1. 光的基本属性 4) 光子具有两种可能的独立偏振态，对应光波场的两个 独立偏振方向。 5) 光子具有自旋，自旋量子数为整数。大量光子的集合 服从波色-爱因斯坦统计分布规律，即处于同一状态的 光子数目没有限制，这是光子与其它服从费米统计分 布规律的粒子（电子、质子、中子）的重要区别
University of Electronic Science and Technology of China 1.光的基本属性 1956 >两个结论： )具有相同能量和动量的光子彼此间不可区分， 因而处于同一状态（模式)。 2)处于同一状态（模式)的光波是相干的，处 于不同状态（模式)的光波是不相千的。 9
9 University of Electronic Science and Technology of China ➢ 两个结论： 1) 具有相同能量和动量的光子彼此间不可区分， 因而处于同一状态（模式）。 2) 处于同一状态（模式）的光波是相干的，处 于不同状态（模式）的光波是不相干的。 1. 光的基本属性
University of Electronic Science and Technology of China 1.光的基本属性 1956 口大量的实验证明，各种光检测元件，如感光胶 片、光电二极管、光电倍增管等，它们对光的 反应主要是由光波中的电场分量所引起的，光 化学作用，光合作用以及眼睛的视觉也同样主 要是由光波中的电场分量所致。另外根据麦克 斯韦方程，一旦知道了电场分量就可以结合介 质的属性计算出磁场分量，因此以下涉及的都 是光波的电场分量。 10
10 University of Electronic Science and Technology of China 大量的实验证明，各种光检测元件，如感光胶 片、光电二极管、光电倍增管等，它们对光的 反应主要是由光波中的电场分量所引起的，光 化学作用，光合作用以及眼睛的视觉也同样主 要是由光波中的电场分量所致。另外根据麦克 斯韦方程，一旦知道了电场分量就可以结合介 质的属性计算出磁场分量，因此以下涉及的都 是光波的电场分量。 1. 光的基本属性