主讲人：顾菊观教授湖州师范学院理学院 2321169 、 13967281642(661642) gjg@hutc.zj

光学 Optics 主讲人：顾菊观教授湖州师范学院理学院 2321169、13967281642(661642) gjg@hutc.zj.cn

在上课之前请你回答和思考几个问题： 1、请你回忆一下：在中学学习过哪些光学知识？你存在哪些问题？你在中学做过哪些光学实验？ 2、请你回忆一下：生活中、自然现象中有哪些光学现象，哪些你能解释的，哪些你不能解释的？ 3、请问你对物理学了解多少？课程之间的关系如何？ 4、今后是继续深造还是就业？

引言什么是物理学？物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。人类对物理学的研究可分为两个阶段：经典物理学的研究和量子物理学的研究。

物理学有哪些学科构成？ 有哪些其他分支？相对论、天体物理学、地球物理学、分子物理学、固体物理学、半导体物理学、晶体物理学、介观物理学、纳米物理学、量子物理学、宇宙物理学、凝聚态物理学、高分子物理学等

物理学与其他学科的联系？ 物理化学，量子化学，生物物理，医用物理学，金融物理学，材料物理学，建筑物理学，海洋物理学，大气物理学，宇宙物理学，工程物理学，社会物理学，经济物理学，心理物理学，艺术物理学，音乐物理学，物理电子学，激光物理学，信息物理学，环境物理学等等

Chapter 0绪论Introduction

Chapter 0 绪论 • 摘要: • 阐述光学的研究对象和方法,介绍光学的分类及发展趋势,介绍光学发展简史,给出光学学习的参考书及参考杂志. • 教学要求: • 1、掌握光学的研究内容以及光学的研究方法； • 2、从五个时期来了解光学的发展史，并从中进一步体会光学的研究方法。

主要内容 • 一、什么是光学 • 二、光学的研究对象 • 三、光学的发展简史 • 四、光学的特点 • 五、光本性的探讨 • 六、光学新风貌 • 七、光学的发展趋势 • 八、参考资料

一、什么是光学 1、光是一种重要的自然现象，我们之所以能看到客观世界中的景象，是因为眼睛接受物体发射、反射或散射的光。 2、光学(optics)既是物理学中最古老的一门基础学科，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。

3、光学的定义：研究光的发射、传播、接收、本性与物质的相互作用、性质、应用等问题的科学。3、光学的定义：研究光的发射、传播、接收、本性与物质的相互作用、性质、应用等问题的科学。几何光学：以光的直线传播为基础，研究光在透明媒体中传播问题的光学。波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播问题的光学。量子光学：以光的量子性为基础，研究光和物质相互作用的光学。现代光学：1948年全息术提出后兴起的光学分支。

二、光学的研究对象 1、光学的研究对象和内容（1）光的发射（2）光的传播（3）光的接收（4）光和物质的相互作用（如光的吸收、散射和色散，光的机械作用和光的热、电、化学和生理效应、心理效应等）（5）光的本性

（6）光在科学研究和社会生产中的各种应用（傅里叶光学、应用光学、工程光学、纤维光学、环境光学、激光光学、色度学、光度学、计量光学、检测光学、大气光学、海洋光学、视觉光学、信息光学、全息光学、适应光学、统计光学、非线性光学、光谱学、光电子学、光子学、薄膜光学、光伏技术、照明工程等）。（6）光在科学研究和社会生产中的各种应用（傅里叶光学、应用光学、工程光学、纤维光学、环境光学、激光光学、色度学、光度学、计量光学、检测光学、大气光学、海洋光学、视觉光学、信息光学、全息光学、适应光学、统计光学、非线性光学、光谱学、光电子学、光子学、薄膜光学、光伏技术、照明工程等）。

二、光学的研究对象 2、经典光学：（1）、几何光学光的传播、反射、折射、成像等。（2）、物理光学 ①波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。 ②量子光学：光的吸收、散射、色散、光的本性等。

二、光学的研究对象 3、现代光学 ①激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。 ②全息光学：光学全息与信息处理等。 ③晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。 ④集成光学：集成光路理论及制造等。

二、光学的研究对象 ⑤傅里叶光学、分数傅里叶光学：光学傅里叶分析、傅里叶变换等。 ⑥激光光谱学：物质微观结构及分子运动规律的分析等。 ⑦非线性光学：光学介质及强光的相互作用。瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光……

三、光学的发展简史 • 萌芽时期 • 几何光学时期 • 波动光学时期 • 量子光学时期 • 现代光学时期

三、光学的发展简史 • 萌芽时期：远古~15世纪末、16世纪初 1、光学的起源可追溯到古代，我国春秋战国时期，墨翟（前468~前376）及其弟子所著的《墨经》中，就记载着光的直线传播（影的形成和针孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的反射等现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置及其大小与所用镜面的曲率联系起来。无论就时间还是就科学性来讲，《墨经》称得上是有关光学知识的最早记录。比希腊数学家欧几里德所著的《光学》早100多年。

在《墨经》中光学方面的共有八条： (1).叙述影的定义与生成. (2).说明光和影的关系. (3).讨论光的直线性,并用针孔成像说明. (4).说明光有反射的性能. (5).讨论光和光源的关系而定影的大小. (6)(7)(8).叙述平面镜、凹球面镜、凸球面镜中物和像的关系。

2、古希腊的欧几里德（Euclid,公元前330--275），在《光学》书中提出了光的直线传播性：我们假设光是以直线进行的，在线与线间还留出一些空隙来，光线从物体到人眼成为一个锥体，锥顶在人眼，锥底在物体，只有被光线碰上的物体才经全我们看见，没有碰上的物体就看不见了。结论是：眼睛发出光线才能看到物体。2、古希腊的欧几里德（Euclid,公元前330--275），在《光学》书中提出了光的直线传播性：我们假设光是以直线进行的，在线与线间还留出一些空隙来，光线从物体到人眼成为一个锥体，锥顶在人眼，锥底在物体，只有被光线碰上的物体才经全我们看见，没有碰上的物体就看不见了。结论是：眼睛发出光线才能看到物体。 3、克莱门德（Cleomedes，公元50年），研究了光的折射现象，认为折射角与入射角成正比，并认为欧几里德的眼睛发出光线才能看到物体的学说是正确的。希腊的托勒密（C.Ptolemy，公元90-168年）研究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。著有《光学》专著。并认为欧几里德的眼睛发出光线才能看到物体的学说是正确的。罗马的塞涅卡提出充满水的玻璃泡具有放大作用。

4、阿拉伯人阿尔-哈金（Al-hazen，公元965-1038）首先发明了凸透镜，并进行实验研究，研究结果接近近代的透镜理论。反对欧几里德、托勒密提出的眼睛发出光才能看到物体的学说，认为光来自物体，光以球面形式从光源发出。认为反射光线与入射光线共面，入射面垂直于界面。研究了球面镜与抛物面镜。详细描述了人眼的构造。4、阿拉伯人阿尔-哈金（Al-hazen，公元965-1038）首先发明了凸透镜，并进行实验研究，研究结果接近近代的透镜理论。反对欧几里德、托勒密提出的眼睛发出光才能看到物体的学说，认为光来自物体，光以球面形式从光源发出。认为反射光线与入射光线共面，入射面垂直于界面。研究了球面镜与抛物面镜。详细描述了人眼的构造。 5、宋代沈括《梦溪笔谈》（1031--1095）中，记载了丰富的光学知识，总结了前人研究的成果，且对凹面镜、凸面镜的成像规律、测定凹面镜焦点的原理及虹的成因等方面都有创造性的阐述。

6、R.培根(R.Bacon 1214--1294）提出用透镜校正视力和采用透镜组成望远镜的可能性，并描述了透镜焦点的位置。 7、元代赵友钦（1279--1368）《革象新书》中讨论了物镜表面照度与光源发光强度以及距离之间的关系。 8、1299年，阿玛蒂（Salvino Degi Armatoc)发明了眼镜。 9、波特（1535--1615）研究了成像的暗箱，1589年在《自然的魔法》论文中，讨论了复合面镜及凸透镜的组合。

三、光学的发展简史 • 萌芽时期：从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。到15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件的相继出现，预示着新的时期即将到来。

三、光学的发展简史 • 几何光学时期：16世纪初~19世纪初这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。到17世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础。

三、光学的发展简史 • 几何光学时期： 17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究引向进一步发展的道路。牛顿根据光的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论。惠更斯反对光的微粒说，从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波。这一时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了。

1、荷兰李普塞（H.Lippershey，1587-1619年）在1608年发明了第一架望远镜。1、荷兰李普塞（H.Lippershey，1587-1619年）在1608年发明了第一架望远镜。 2、十七世纪初延森（Z.Janssen，1588-1632）和冯特纳（P.Fontana，1580-1656年）最早制作了复合显微镜。 3、1610年伽里略（1564-1642年）用自己制造的望远镜观察星体，发现了绕木星运行的卫星，这给哥白尼关于地球绕日运转的日心说提供了强有力的证据。 4、开普勒（1571-1630年）汇集了前人的光学知识，他提出了用点光源照明时，照度与受照面到光源距离的平方成反比的照度定律。他还设计了几种新型的望远镜，特别是用两块凸透镜构成的开普勒天文望远镜。

3、折射定律的精确公式则是斯涅耳（W.Snell,1591-1626年）和笛卡儿（R.Descares，1596-1650年）提出的。3、折射定律的精确公式则是斯涅耳（W.Snell,1591-1626年）和笛卡儿（R.Descares，1596-1650年）提出的。 4、费马（P.de Fermat，（1601-1665）在1657年首先指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理，并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。综上所述，到十七世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础。 5、意大利人格里马第（F.M.Grimaldi,1618-1663年）首先观察到光的衍射现象，1672-1675年间胡克（R.Hooke，1635-1703年）也观察到衍射现象，并且和波义耳（R.Boyle，1627-1691年）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹，所有这些都是光的波动理论的萌芽。

6、十七世纪下半叶，牛顿（I.Newton，1642-1727年）和惠更斯（C.Huygens，1629-1695年）等把光的研究引向进一步发展的道路。牛顿还仔细观察了白光在空气薄层上干涉时所产生的彩色条纹—牛顿圈，从而首次认识了颜色和空气层厚度之间的关系。牛顿于公元1704年《光学》中提出了光是微粒流的理论。他认为这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质中直线运动，并以此观点解释光的反射和折射定律。然而在解释牛顿圈时，却遇到了困难，同时，这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。6、十七世纪下半叶，牛顿（I.Newton，1642-1727年）和惠更斯（C.Huygens，1629-1695年）等把光的研究引向进一步发展的道路。牛顿还仔细观察了白光在空气薄层上干涉时所产生的彩色条纹—牛顿圈，从而首次认识了颜色和空气层厚度之间的关系。牛顿于公元1704年《光学》中提出了光是微粒流的理论。他认为这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质中直线运动，并以此观点解释光的反射和折射定律。然而在解释牛顿圈时，却遇到了困难，同时，这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。 7、惠更斯反对光的微粒说，在《论光》中认为光是在“以太”中传播的波。惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了方解石的双折射现象。这一时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，由于相继发现了干涉、衍射和偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了。

三、光学的发展简史 • 波动光学时期：19世纪初~20世纪初到了19世纪初，初步发展起来的波动光学的体系已经形成。1801年杨氏最先用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验”，还第一次成功的测定了光的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。

三、光学的发展简史 • 波动光学时期： 1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。 1845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。麦克斯韦在1865年的理论研究说明光是一种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹的实验所证实。至此，确立了光的电磁理论。

三、光学的发展简史 • 波动光学时期：光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它指出光和电磁现象的一致性，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。光速的测定。物理学大厦：力、热、电磁、光——两朵乌云：热辐射、迈克尔逊—莫雷实验（以太）

三、光学的发展简史 • 量子光学时期：20世纪初~20世纪中 19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机制中，开始了量子光学时期。1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论，圆满地解释了光电效应，并被后来的许多实验（例如康普顿效应）证实。

量子光学：，研究以光的量子性质为基础的光学现象和理论，例如：光的波粒二象性、原子、分子、凝聚态光谱学、光电效应、光化学等。量子光学：，研究以光的量子性质为基础的光学现象和理论，例如：光的波粒二象性、原子、分子、凝聚态光谱学、光电效应、光化学等。

三、光学的发展简史 • 量子光学时期：至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性——粒子性。光的本性——物质（实物和场）的本性——波粒二象性

三、光学的发展简史 • 现代光学时期：20世纪中~ 三件大事： ①1948 全息术 ②1955 光学传递函数 ③1960激光器的诞生

现代光学：从第一台激光器诞生开始，研究激光、光电子学、光学信息处理为基础的光学现象、理论和技术，它的发展是以光与物质光波中的电子相互作用及其能量相互转换作为更重要的研究内容。光学与机械（包括仪器）、电子、计算机、材料及信息等学科相结合，加速了传统光学技术向现代光学-光子学技术的战略转移。现代光学：从第一台激光器诞生开始，研究激光、光电子学、光学信息处理为基础的光学现象、理论和技术，它的发展是以光与物质光波中的电子相互作用及其能量相互转换作为更重要的研究内容。光学与机械（包括仪器）、电子、计算机、材料及信息等学科相结合，加速了传统光学技术向现代光学-光子学技术的战略转移。

现代光学不仅将光作为信息传递的手段，研制出各种光学仪器和设备，扩展人们的视觉功能（观察）、听觉功能（通信）、触觉功能（测量）等（众所周知，视觉和听觉占人的感觉知觉的90%），而且光可取能量的形式，利用光对物质产生的物理化学反应来改变物质的形态和属性，如激光核聚变以及能量密度最高的能源等。再者，光亦可作为加工处理的手段，如利用激光进行材料加工或医疗手术等。现代光学不仅将光作为信息传递的手段，研制出各种光学仪器和设备，扩展人们的视觉功能（观察）、听觉功能（通信）、触觉功能（测量）等（众所周知，视觉和听觉占人的感觉知觉的90%），而且光可取能量的形式，利用光对物质产生的物理化学反应来改变物质的形态和属性，如激光核聚变以及能量密度最高的能源等。再者，光亦可作为加工处理的手段，如利用激光进行材料加工或医疗手术等。

四、光学的特点 • 年轻而古老：光缆、光盘等——远古 • 基础加应用：力、热、电、光——工业、农业、军事、天文学、医学、电子学、材料科学、化学、生物、通信等 • 理论与实验：张量、卷积、相关、δ函数、傅氏变换——普通光学实验、近代光学实验、现代光学实验等

五、光本性的探讨 （一）光线模型：光是从光源发出的一种“射线”,光线射入人眼，引起视觉。（二）微粒模型：光是从光源发出的一群完全弹性的球形微粒流。 1、说明直线传播定律：光微粒在均匀媒质中由于惯性而作等速直线运动。 2、解释反射定律：光弹性微粒碰撞界面时的反向：

3、解释折射定律 4、困难（1）（2）不能解释干涉现象

（三）波动模型 1、弹性波模型：光是在特殊弹性媒质“以太”中传播的机械波。（1）、惠更斯原理：任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波，在以后时刻，所有这些次波波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。

（2）、1862年，傅科实验证实 1801年，杨氏发现干涉现象 1808年，马吕斯发现偏振现象（3）、惠更斯-菲涅耳原理：波面上每个面元ds都可看成是新的振动中心，它们又发出球面次波，在空间某一点P的振动是所有这些次波在该点的相干迭加。（4）、解释了光的干涉、衍射、偏振。

2、电磁波模型：光是一种电磁波 1846年：法拉第：光振动面在磁场中旋转 1956年：韦伯： 1860年：麦克斯韦：电磁波理论。困难：（1）光波载体“以太”假设遭到实验否定（2）不能解释黑体辐射能量按频率分布的问题光学是近代物理的生长点，相对论和量子论起源于光学。

（四）量子模型：1905年爱因斯坦提出 光是一粒一粒以速度C运动的粒子流，这些粒子是光量子，每个光子的能量焦耳/秒。基本精神：光的能量具有量子性。（五）波粒二象性模型：1917年爱因斯坦提出光既可以表现为波动，又可以表现为粒子，光具有波粒二象性。

六、光学新风貌 三件大事： 1、1948年全息术的提出 2、1955年评价象质的光学传递函数概念的建立。 3、1960年新型光源——激光器的诞生（一）光学新技术 1、激光新技术：激光特点--高单色性、高相干性、高方向性、高亮度。 2、摄影新技术：全息照相。

3、光学信息处理新技术：基于光学系统可以对输入图象实行傅里叶变换，在频谱面上对物谱的选择、改造，去除等处理，使图象按照人们的需要进行改造。3、光学信息处理新技术：基于光学系统可以对输入图象实行傅里叶变换，在频谱面上对物谱的选择、改造，去除等处理，使图象按照人们的需要进行改造。（1）图象相减：用光学方法把一幅图象从另一幅图象中减去以便探测两幅图象的区别。（2）象边缘突出：对低衬度的图象，人眼对于各部分有时分不清，若使图象边缘较中间为亮，就便于分辨。

（3）特征识别（光学侦破），从大量信息中检测某一特定信息的有无和它的位置。（3）特征识别（光学侦破），从大量信息中检测某一特定信息的有无和它的位置。（4）假彩色化：将黑色图片经过光栅编码可变换为彩色图片。（5）信息储存：在全息底片上多次曝光处理可储存很多信息。 4、光探测新技术、光通信新技术、光显示新技术、光照明新技术、光存储新技术、光传感新技术、光学仪器和设备新技术等。

（二）光子新分支 1、傅里叶变换光学：利用傅里叶变换和通信系统的线性系统理论研究光学成像和衍射的光学，数学中的傅里叶变换在光学中成了实实在在的物理过程。后又提出分数傅里叶变换光学来分析解决光学的传播问题。 2、纤维光学：研究利用透明光学纤维传递光束和图像的光学。

3、集成光学：研究集成光路理论和制造技术的光学。3、集成光学：研究集成光路理论和制造技术的光学。 4、统计光学：对光场进行量子统计描述的光学。 5、矩阵光学，用矩阵方法研究光学系统成像的光学。 6、纳米光子学、生物医学光子技术、环境监测光子技术、能源光子技术、军用光子技术等。

七、光学的发展趋势 电学——电子学——电子技术——电子工程——电子工业光学——光子学——光子技术——光子工程——光子工业

总结20世纪光学的主要特点有： （一）、光学领域的扩展 1、波段：由可见光向两端扩展，短波→紫外、X射线，长波→近红外、中红外、远红外，于是产生了紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学等； 2、时间：天文时间→原子反应时间≈10-15秒；研究由静态光学扩展到瞬态光学，如纳秒、皮秒、飞秒等超快速现象； 3、光强：单光子→激光光源→星际光源； 4、尺度：百亿光年→单原子尺度，介观尺度～与波长同量级，研究天文光学到纳米光学； 5、作用：宇宙、宏观、介观、微观；研究宏大光学（天文望远镜）到微小光学（微透镜） 6、波长：单色性及相干性；研究激光器、激光全息。

主讲人：顾菊观教授湖州师范学院理学院 2321169 、 13967281642(661642) gjg@hutc.zj