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同学们好
今天我们开始学习光学
我们是用光的电磁波理论
来讲述波动光学
包括干涉 衍射和偏振
光学是一门历史十分悠久的学科
人类对于客观世界的认识
90%以上的信息
都是通过视觉得来的
所以人类对光现象的研究可谓由来已久
光学同时又是一门
长时间都保持生机勃勃的学科
尤其是上世纪60年代初激光问世以来
光科学取得了革命性的发展
冲击了整个物理学科
并且对其他学科
诸如化学 生物医学 微电子 材料
信息工程等等学科
都产生了巨大的影响
那么究竟光是什么呢
对于这个问题的回答
有许多种结论
第一种说法
光是微粒流
称之为光的微粒说
它的起手跟创始人
是笛卡尔 牛顿 等人
对应的学科就叫几何光学
理论支撑是费马原理
费马原理说的是
光沿着光程为极值的路径传播
由这个原理可以解释光的直线传播
光的反射 光的折射
光学成像等各种规律
各种光学仪器
现在最前沿科学用的
许多实验仪器 光路设计
都还是离不开几何光学
第二种学说是光的波动说
认为光是波
波动说与微粒说长期争论不休
惠更斯 菲涅耳等
都作出了巨大的贡献
起先认为波只是机械波
用这个理论
不仅十分成功地解释了反射折射现象
还十分成功地解释了
干涉 衍射等反映波动特征的现象
那么到了19世纪中叶
麦克斯韦成功建立了电磁场方程组
并发现光是电磁波
成功解释了
光在传播过程中的所有现象
包括干涉 衍射 偏振 双折射等等
但在光与物质相互作用的那一些现象
比如黑体辐射 光电效应
原子线状光谱等 无法解释
由此也催生了光的量子理论的诞生
现在的观点认为
光是粒子 也是波
光是量子化了的电磁场
对于光的本性的正确的和全面的认识
应该是 光既有波动性又有粒子性
光在传播过程中间
所发生的各种现象
都可以用电磁波的理论来描述和阐明
但在涉及光和其他物质相互作用时
涉及到它们之间存在着能量交换时
则必须考虑光的粒子性
必须要用量子力学
和量子电动力学的理论来加以处理
量子电动力学应用在光学方面的理论
就称之为量子光学
量子光学原则上可以解释
所有的光学现象
这是光学学科的理论研究方面的基础
量子光学
不断深化着人类对光本性的认识
50年代期间
光强干涉实验揭示了光强之间
存在着相互关联的事实
这不能用常规的光的干涉理论来说明
而必须用量子光学的理论来加以阐明
这就导致了1964年以来
对光的相干性量子理论的深入研究
量子光学还在继续发展
对光的特性
对光究竟是什么的探索
仍然在继续之中
那么光学作为一门学科
或者作为一门课程
它有些什么特点呢
我自己归纳总结
我觉得第一个特点就是
光是频率很高的电磁波
从电磁波谱图来看
可见光的频率范围
在4×10的14 次方到 7.5×10的14次方
将近10的15次方这么一个范围
对应的波长是750纳米到400纳米
尽管已经扩展到红外跟X射线范围
现代的光学
但是所研究的对象
依然只占电磁波频谱中的一小部分
它的特点
是波长比周围的物体尺寸要小得很多
而又比组成物体的原子尺寸大很多
电磁波在长波区域表现出显著的波性
而在短波区域则表现出极强的粒子性
对于长波波段 无线电波
可以用电磁振荡耦合来得到
输入信号的振幅和相位值
随时间的变化情况
对于粒子性强的电磁波
它的检测方法
是利用它跟检测器相互作用
而产生的电子流信号
但这种强度的信号
不能够获得波动的相位值
核物理技术中
所采用的各类计数器的原理
几乎都是如此
所以对于光波来说
由于光的频率太高
而每个光子的能量又太小
所以它没法用无线电技术
对信号的响应速度来进行跟踪
而核物理技术的探测灵敏度
也达不到这么高的灵敏度
所以光学实验中
只能用探测器
来检测光辐射的平均强度
也就是说测量它的光强
而这是光学测量中
唯一能够获得的测量参数
光波中有强度 偏振 相位
频率变化等各种反映信息的变化
但对于这些信息的检测
目前只能通过对光强的测量来实现
光波的这一特点
导致我们对它的研究方法
既有别于无线电波
也别于粒子物理
光学的第二个特点
也是我们这门课程的一个特点
我想说波动光学的主线
是波的叠加原理
经常听同学反映
光学比较杂乱
没有一个统领
比如力学中我们有牛顿的三定律
热学中有热力学的三个定律
电磁学中有Maxwell的方程组
我想也许波的叠加原理
是波动光学干涉 衍射 偏振
的重要理论基础和基本出发点
抓住了这一点
学习这几章就不会觉得乱了
光学的叠加原理
源于光的独立传播定律
独立传播定律指的是
两列光波在传播中间
即使交叠也互相不影响
当然光波叠加原理的成立
是有条件的
当光强强到一定程度
介质产生非线性极化
线性叠加原理不再成立
由此导出新的学科
这就是非线性光学
光学这门学科的第三个特点
我想是个很重要的特点
就是光学在物理学的发展中的角色
不仅特殊而且重要
20世纪初期
是物理学取得划时代进展的年代
进展的标志就是相对论
量子论和量子力学的相继建立
在这理论的诞生过程中间
光扮演着极为重要的角色
这些历史故事
我想大家都熟悉的
从这些发展的历史中可以看到
经常是当阐明某些光学现象时
产生了矛盾
于是就寻求突破
最后创建了新的革命性的理论
相对论 量子论
量子力学等理论的建立
无一不是如此
1915年爱因斯坦发表的广义相对论中
依然将光列为宇宙学的内在要素
还有一点就是由于光学的发展
创造了许多从未有过的极端物理条件
如超短的脉冲
达到微秒甚至阿秒量极
极低的温度 微K
极强的电场强度
正是光帮助人类
在这样的物理条件下
不断拓展的知识的疆域
所以光学真可谓功不可没
我初步统计了一下
自从1964年激光获得 Nobel 奖以后
总共有13次Nobel 奖跟光学有关
其中10次是物理奖
3次是化学奖
包括今年(2014)刚公布的物理奖
和化学奖都与光学有关
光学的第四个特点
我想应该说光学具有极强的渗透性
应用于方方面面
关于这点我们无法展开叙述
我们每天每人都在享用着光学的发展
给我们带来的方便
大家在今年学习光学的时机非常之好
因为去年的联合国第68届大会
作出了决议
宣布明年2015将是世界光年
在决议中联合国强调指出
提高全球对光科学技术的认识
和加强这方面的教育
这对于发达国家跟发展中国家
应对可持续发展 能源 社区保健
和提高生活质量的挑战至关重要
光科学技术的应用
对现在和未来的医药 能源
信息和通信 光纤 天文学
建筑 考古 娱乐和文化的进步
也至关重要
号召全世界的青年和妇女
特别是发展中国家的青年和妇女
推广科学教育
推广光学
让我们以学习光学
欣赏光学
享受光学
推广光学的实际行动
迎接世界光年的到来
谢谢大家
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量,极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律(续)
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
-WEEK7--本周作业
-暂态过程和磁场能量
--磁场的能量
-磁场和电场的相对性
-位移电流和麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
-电磁波、坡因廷矢量和光压
--电磁波
--坡印廷矢量
--电磁波的动量
--光压——辐射压强
-本周作业
--week8--本周作业
-波动光学—引言
--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
-杨氏双缝干涉、相干光
--光的干涉
--双缝干涉
-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光
-光源及发光性质
--光源的发光特性
--时间相干性
--空间相干性
-WEEK9--光源及发光性质
-光程、等倾和等厚干涉
--光程
--薄膜干涉(一)
--薄膜干涉(二)
-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉
-迈克耳逊干涉仪
--迈克耳逊干涉仪
-WEEK9--本周作业
-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
--惠更斯原理
--单缝夫琅禾费衍射
-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
-光栅衍射
--光栅衍射
--光栅衍射(续)
-WEEK10--光栅衍射
-光学仪器分辨本领
-WEEK10--光学仪器分辨本领
-X射线晶体衍射
--X射线的衍射
-WEEK10--X射线晶体衍射
-WEEK10--本周作业
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--光的偏振状态
--起偏和检偏
-WEEK11--光的偏振状态和偏振片
-反射和折射光偏振
-WEEK11--反射和折射光偏振
-晶体双折射、波片
--双折射
--双折射(续)
--波片
-WEEK11--晶体双折射、波片
-偏振光干涉、人工双折射和旋光
--偏振光的干涉
--人工双折射
--旋光现象
-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光
-量子物理诞生和黑体辐射
--量子物理
--黑体辐射
-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射
-WEEK11--本周作业
-光电效应、光子和康普顿效应
--光电效应
--光子
--光子(续)
--光子(续2)
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-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应
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--物质波
--波函数
--波函数(续)
-WEEK12--物质波、波函数和概率密度
-不确定性关系
--不确定关系
-WEEK12--不确定性关系
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--薛定谔方程
-WEEK12--薛定谔方程
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--一维无限深势阱
-WEEK12--一维无限深势阱
-WEEK12--本周作业
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-WEEK13--氢原子能级和角动量
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-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理
-WEEK13--本周作业
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--video
--Video
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-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介
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--量子统计
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--Video
-WEEK15--半导体和PN结
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-WEEK15--粒子物理简介
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