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2013年6月15日,光電工程學(xué)院,主講：徐寧,物理光學(xué)Physicaloptics,Email:xuning@Office:教4-1樓,2,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù),1.性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課后續(xù)課：激光原理、光纖通信原理與系統(tǒng)、光電傳感技術(shù)等,2.目的：基本原理分析問題方法知識的應(yīng)用,教學(xué)內(nèi)容：電磁場基本知識光的干涉、衍射晶體光學(xué)光與物質(zhì)的作用課時分配48課時,3,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù),成績評定平時：（作業(yè)、到課率、答疑、課堂提問等）30％期末考試：70％,學(xué)習(xí)方法掌握重點培養(yǎng)興趣獨立思考主動質(zhì)疑,參考書《物理光學(xué)》，劉晨.合肥工業(yè)大學(xué)出版社.2007年《光學(xué)原理與應(yīng)用》，廖延彪.電子工業(yè)出版社.2006年《光學(xué)習(xí)題課教程》，鄭植仁.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2006年,4,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,光學(xué)發(fā)展簡史,光學(xué)是一門研究光（電磁波）的行為和性質(zhì)，以及光和物質(zhì)相互作用的物理學(xué)科。,5,緒論,6,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,光學(xué)發(fā)展5個時期：一、萌芽時期：光的直線傳播、視覺和顏色認(rèn)識，光的反射、折射和透鏡反射鏡的利用，對大氣光學(xué)現(xiàn)象的探討。二、幾何光學(xué)時期：建立光的反射定律和折射定律，奠定幾何光學(xué)基礎(chǔ)三、波動光學(xué)時期：干涉、衍射解釋，波動光學(xué)的形成，光是一種電磁波四、量子光學(xué)時期：光和物質(zhì)相互作用，量子光學(xué)五、現(xiàn)代光學(xué)時期：傅里葉光學(xué)；光學(xué)信息處理；非線性光學(xué),7,光電工程學(xué)院,A、墨翟：在他和其弟子所著的《墨經(jīng)》中，對光現(xiàn)象有八條定性記載,對簡單光現(xiàn)象進(jìn)行了記載并做了不系統(tǒng)的研究，制造了簡單的光學(xué)儀器（如平面鏡、凸面鏡、凹面鏡)。,⑴正確反映了光的直線傳播規(guī)律⑵錯誤：人眼能發(fā)出光線,B、歐幾里德：在其著作《光學(xué)》一書中提出觸須學(xué)說：,代表人物和成就：,Ⅰ、萌芽時期,墨翟（公元前468～376年）,歐幾里德（古希臘，公元前330～275年）,,8,Ⅱ、幾何光學(xué)時期,幾何光學(xué)時期是光學(xué)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點，系統(tǒng)研究了光現(xiàn)象和光學(xué)儀器，建立了直線傳播定律、反射定律、折射定律；提出了費馬原理、光程、光強、顏色等概念，并觀察了棱鏡光譜等較復(fù)雜的光現(xiàn)象，建立、鞏固和發(fā)展了牛頓微粒學(xué)說。同時，波動理論開始盟芽。,代表人物和成就：,A、費馬（法，1601~1665）：提出了幾何光學(xué)的基本原理—費馬原理，由它可導(dǎo)出直線傳播定律、反射定律、折射定律和面鏡、透鏡成象規(guī)律。,B、牛頓（英，1643~1727）：建立了光是微粒流的微粒學(xué)說，進(jìn)行了白光通過棱鏡的實驗，提出了光譜、光強、顏色等概念，觀察并研究了牛頓環(huán),C、李普塞：1608，發(fā)明并制造了世界上第一臺望遠(yuǎn)鏡。,D、馮特納：發(fā)明并制造了世界上第一臺顯微鏡。,粒子：Paticle,波：wave,,9,Ⅲ、波動光學(xué)時期,建立了光的波動理論，園滿解釋了光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象；通過邁克爾遜干涉儀否定了“以太”的存在；提出并證實了光的本質(zhì)就是電磁波,C、菲涅耳（法,1788~1827）：利用楊氏干涉原理補充惠更斯原理提出了惠更斯-菲涅耳原理，園滿解釋了光的直線傳播定律和衍射現(xiàn)象。建立了菲涅耳公式。在牛頓物理學(xué)中打開了第一個缺口，為此，他被人們稱為“物理光學(xué)的締造者”。,D、馬呂斯（法，1775~1812）：發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，建立了馬呂斯定律，研究了偏振光的干涉。,代表人物和成就：,B、楊氏（英，1773~1829）：最先利用干涉原理解釋白光下的薄膜顏色，設(shè)計并完成著名的楊氏雙縫干涉實驗，并第一次成功地測定了光的波長。提出了光是橫波的假設(shè)。主要貢獻(xiàn)：楊氏雙縫實驗，楊氏模量，視覺和顏色，醫(yī)學(xué)，語言學(xué)，埃及象形字,A、惠更斯（荷蘭，1629~1695）：光的波動理論的創(chuàng)始人，提出了“光是‘以太’中傳播的波動”理論和次波假設(shè)（惠更斯原理）。并園滿解釋了反射、折射定律和雙折射現(xiàn)象。,,實物粒子與光一樣具有波（Wave）、粒（Particle）二象性,10,黑體輻射問題：普朗克(德,1858~1947),解釋光電效應(yīng)：愛因斯坦(美,1879~1955),德布羅意（法，1892～1989）提出物質(zhì)波假說，戴維孫與革末的電子衍射實驗證實電子具有波動性,X射線散射實驗：康普頓(美,1892~1962),發(fā)現(xiàn)經(jīng)典電磁理論在研究光與物質(zhì)的相互作用時的缺點，建立了光的量子理論，園滿解釋了黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)現(xiàn)象；提出了光的波粒二象性。,Ⅳ、量子光學(xué)時期,,11,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,Ⅴ、現(xiàn)代光學(xué)時期,自1960年梅曼（美，1927~2007）制成第一臺紅寶石激光器，光學(xué)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，激光物理、激光技術(shù)、全息攝影術(shù)、光纖的應(yīng)用、光腦的設(shè)想、紅外波段的應(yīng)用，非線性光學(xué)等，派生了許多嶄新的分支學(xué)科。,12,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,1907年:邁克爾遜，美國，測量光速,1902年：塞曼,荷蘭,發(fā)現(xiàn)磁力對光的塞曼效應(yīng),1919年：斯塔克，德國，發(fā)現(xiàn)正離子射線的多普勒的效應(yīng)和光線在電場中的分裂,1921年：愛因斯坦，美籍德裔，闡明光電效應(yīng)原理,1923年：密立根，美國，測量電子電荷，并研究光電效應(yīng),1924年：西格班，瑞典，研究X射線光譜學(xué),1930年：拉曼，印度，研究光的散射，發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng),13,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,1953年：塞爾尼克,荷蘭,發(fā)明相位差顯微鏡,1955年：蘭姆,美國,研究氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu),1958年：塔姆、弗蘭克、切倫科夫，蘇聯(lián),發(fā)現(xiàn)并解釋切倫科夫效應(yīng),1964年：湯斯，美國，研究根據(jù)微波激射器和激光器的原理構(gòu)成振蕩器和放大器巴索夫，前蘇聯(lián)，用于產(chǎn)生激光光束的振蕩器和放大研究工作。普洛霍羅夫，前蘇聯(lián)，在量子電子學(xué)中的研究工作導(dǎo)致微波激射器和激光器的制作。,14,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,,1971D.,加波,,英國,,全息攝影術(shù)的發(fā)明及發(fā)展,1971年：加波，英國，全息攝影術(shù)的發(fā)明及發(fā)展,1981年：布洛姆伯根、肖洛，美國激光光譜學(xué)與非線性光學(xué)的研究,1997年：朱棣文，美國；塔諾季，法國；菲利浦斯，美國；激光冷卻和陷俘原子,2005年：羅伊格勞伯，美國，對光學(xué)相干的量子理論的貢獻(xiàn),約翰霍爾，美國，特奧多爾亨施德國對基于激光的精密光譜學(xué)發(fā)展作出的貢獻(xiàn),1966年：卡斯特萊，法國發(fā)現(xiàn)并發(fā)展光學(xué)方法以研究原子的能級的貢獻(xiàn),2009年：高錕，光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件——電荷耦合器（CCD）圖像傳感器,15,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,光學(xué)研究三個方面：,,固體發(fā)光、電光源、激光、氣體放電、化學(xué)光源電致發(fā)光、半導(dǎo)體光源,,,,經(jīng)典光學(xué)：幾何光學(xué)，物理光學(xué)、分子光學(xué)、近代光學(xué)（激光問世后）：,1.大空間范圍干涉：相干光學(xué)、統(tǒng)計光學(xué)、薄膜光學(xué)衍射：傅立葉光學(xué)、衍射光學(xué)、二元光學(xué)偏振：晶體光學(xué)、偏振光學(xué)其它：矩陣光學(xué)、激光束光學(xué)、海洋光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)等,小空間范圍導(dǎo)波光學(xué)、光纖光學(xué)、二元光學(xué)、微光學(xué)、近場,大光能量非線性光學(xué)、強光光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué),4.非均勻介質(zhì)非均勻介質(zhì)光學(xué)、散射光學(xué)、組織光學(xué),17,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,照相底片（光化學(xué)作用）、眼睛（光生理效應(yīng)）、光電器件（光電效應(yīng)）、熱釋電器件（電熱效應(yīng)）,,,18,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,傳輸介質(zhì)折射率n（左右光學(xué)傳播規(guī)律的基本參量）,決定光線傳播的方向,n＝常量各向同性介質(zhì)直線傳播各項異性雙折射,引起折射率變化因素：,—波長,—外場（磁、電、聲、熱等）,—時間（非穩(wěn)態(tài)）,n＝變量曲線傳播,光波的波長（?）,光與物質(zhì)作用，其效應(yīng)與波長有關(guān)；傳輸特性與波長有關(guān),19,2013/2014(1),光電工程學(xué)院,緒論,光波能量,光的偏振,—衍射效率,—干涉效率,—光與物質(zhì)作用,光的應(yīng)用,1、光學(xué)觀測儀器,2、光學(xué)檢測、計量儀器和光學(xué)檢測方法,3、光學(xué)加工、光學(xué)醫(yī)療系統(tǒng),4、信息傳輸,20,2013/2014(1),第一章,第1章光在各向同性介質(zhì)中的傳輸特性,本章重點和難點：,折射率的概念,2.平面波、球面波、柱面波、高斯光束特性及數(shù)學(xué)表示,3.相速度、群速度概念,4.光波場的空間頻率,5.光的偏振態(tài)及表示,6.菲涅耳公式（反射和透射率、反射和透射及特性）,相位,偏振,21,2013/2014(1),第一章,1.1.1光波與電磁波麥克斯韋電磁方程,1.電磁波譜,按頻率(或波長)的次序排列成譜。,光學(xué)區(qū)域包括紅外線、可見光和紫外線，光譜區(qū)域波長范圍約從1mm到10nm或（1012-1016Hz）,1mm到10nm,1012-1016Hz,22,2013/2014(1),第一章,23,2013/2014(1),第一章,24,2013/2014(1),第一章,2.麥克斯韋電磁方程,由麥克斯韋電磁方程，結(jié)合具體的邊界條件及初始條件，可定量研究光的各種傳輸特性。,D:電位移矢量?：自由電荷體密度E：電場強度B：磁感應(yīng)強度H：磁場強度J:傳導(dǎo)電流密度,電場的高斯定律：電場可以是有源場；電力線必須從正電荷出發(fā)終止于負(fù)電荷。,,,磁通連續(xù)定律：磁場是無源場；通過閉合面的磁通量等于零，磁力線是閉合的。,,法拉第電磁感應(yīng)定律：變化磁場產(chǎn)生感應(yīng)電場（渦旋場），其電力線是閉合的。,,安培全電流定律：傳導(dǎo)電流和位移電流都對磁場的產(chǎn)生有貢獻(xiàn)。,25,2013/2014(1),第一章,3.物質(zhì)方程,描述介質(zhì)特性對電磁場影響的方程—物質(zhì)方程,介電常數(shù)?=?0?r，?0真空中介電常數(shù)，?r相對介電常數(shù)，描述介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)。,介質(zhì)磁導(dǎo)率?，?0真空中磁導(dǎo)率，?r相對磁導(dǎo)率,描述介質(zhì)的磁學(xué)性質(zhì)。,介質(zhì)的光學(xué)特性是均勻各向同性：?、?是與空間位置和方向無關(guān)的常數(shù),介質(zhì)的光學(xué)特性是各向異性：?、?是張量。,26,2013/2014(1),第一章,物質(zhì)方程給出了媒質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，它們是光與物質(zhì)相互作用時媒質(zhì)中大量分子平均作用的結(jié)果。,27,2013/2014(1),第一章,4．波動方程,麥克斯韋方程組描述了電磁現(xiàn)象的變化規(guī)律，在空間傳播的電磁波應(yīng)滿足描述這種波傳播規(guī)律的波動方程,假設(shè)：1）介質(zhì)均勻2）無源場（?=0，J=0）,28,2013/2014(1),第一章,我們得：,同理,其中，電磁場在介質(zhì)中的傳播速度,真空中的傳播速度：,引入光的折射率：,29,2013/2014(1),第一章,30,2013/2014(1),第一章,5.光電磁場的能流密度,???電磁場的能量定理,假設(shè)：介質(zhì)是絕緣體，?=0，j=0。,31,2013/2014(1),第一章,定義玻印廷矢量S：S=EH,E、H、S三者矢量方向滿足右手螺旋定則,電磁場總能量密度w=we+wm,電磁場能量定律的微分形式：,上式體積分：,由高斯定理：,?：包圍體積v的整個表面d?：是?上的面積元n:d?的單位法向矢量,32,2013/2014(1),第一章,??電磁場能量定律的積分形式,物理意義：體積V中單位時間內(nèi)總電磁能量的減少等于從V的整個表面?流出的電磁能量。,光強度：,注：在某些場合，只考慮某一種介質(zhì)的光強，只關(guān)心光強的相對值，因而省略比例系數(shù)，光強寫成,若考慮的是不同介質(zhì)中的光強，比例系數(shù)不能省略,33,2013/2014(1),第一章,1.1.2幾種特殊形式的光波,電磁場滿足的波動方程：,邊界條件的不同，方程的解,平面光波,1.平面光波,光與介質(zhì)的相互作用來看，磁場的作用遠(yuǎn)比電場弱。通常把光波中的電矢量E稱為光矢量，電場E的振動稱為光振動。,,球面光波,柱面光波,高斯光束,34,2013/2014(1),第一章,1）波動方程的平面光波解,在直角坐標(biāo)系：由波動方程求解得：,當(dāng)(z-vt)=c的點處于相同的振動狀態(tài)。如圖,,t=0,t1,t2,,f1是沿z軸的正方向傳播，f2是沿z軸的負(fù)方向傳播。,35,2013/2014(1),第一章,波振面：將某一時刻振動相位相同的點連結(jié)起來，組成的曲面。,平面光波：波振面垂直與傳播方向的平面。,36,2）單色平面波,三角函數(shù)形式：,固定某一時刻t=t0，波在空間的分布：,固定空間某點z=z0,隨時間周期振動：,,,,,,表示波的時間周期性,空間周期：?空間頻率：1/?空間角頻率：k=2?/?,,表示波的空間周期性,時間周期：T時間頻率:?=1/T角頻率:?=2?/T,37,2013/2014(1),第一章,復(fù)數(shù)表示：,光強：,復(fù)振幅：,場振動的振幅和相位隨空間的變化,,空間,平面簡諧波沿任一波矢k方向傳播，則,38,2013/2014(1),第一章,相應(yīng)的共軛光波復(fù)振幅為（復(fù)振幅之間的復(fù)數(shù)共軛關(guān)系）：,圖1-3平面波及其相位共軛波,39,2013/2014(1),第一章,2)球面波,等相面以點光源為中心，隨著距離的增大逐漸擴(kuò)展的同心球面,波陣面,圖1-4球面光波示意圖,,滿足波動方程，在球坐標(biāo)系中為,40,2013/2014(1),第一章,其解為,簡諧球面波數(shù)學(xué)表示,3）柱面波,一個各向同性的無限長線光源，向外反射的波為柱面波，等相面以線光源為中心軸，隨距離增大而逐漸展開的同軸圓柱面。,z,（三角函數(shù)）,(復(fù)數(shù)),（復(fù)振幅）,41,2013/2014(1),第一章,,,其解為,4）高斯光束,一種振幅和等相面都在變化的高斯球面光束（激光器產(chǎn)生的光束）,其解為,其中：,42,2013/2014(1),,,高斯光束的基本特性：,基模高斯光束在橫截面內(nèi)的光電場振幅分布按照高斯函數(shù)的規(guī)律從中心(即傳播軸線)向外平滑地下降,光斑半徑w(z),光斑半徑隨著坐標(biāo)z按雙曲線的規(guī)律擴(kuò)展,高斯光束的束腰半徑w0,R(z):與傳輸軸線相交與z點的高斯光束等相位面（球面）的曲率半徑,,激光束發(fā)散角?,基模（TEM00）:,43,2013/2014(1),第一章,其中,f:高斯光束的共焦參數(shù)（瑞利長度）,基模高斯光束場的相位因子,kz:描述了高斯光束的幾何相移,高斯光束在空間行進(jìn)距離z處、相對于幾何相移的附加相移,當(dāng)z???時，?R(z)??z??表明束腰無限遠(yuǎn)處的等相面為平面；,44,2013/2014(1),第一章,當(dāng)z=?f時，?R(z)?=2f，達(dá)極小值；,當(dāng)0?z?f時，R(z)?2f，表明等相面的曲率中心在（-?，-f)區(qū)間；,當(dāng)z?f時,z?R(z)?z+f，表明等相面的曲率中心在（-f，0)區(qū)間。,基模高斯光束既非平面波，又非均勻球面波，可以看作是一種非均勻的球面波，其等相面是曲率中心不斷變化的球面，振幅和強度在橫截面內(nèi)保持高斯分布。,45,2013/2014(1),第一章,1.1.3光波場的時域頻率譜,光波場在時間域內(nèi)的變化表示為E(t),2、頻率譜,由傅里葉變換，它可以展成如下形式：,一個時域光波場E(t)可以在頻率域內(nèi)通過它的頻譜描述.,隨時間變化的光波場振動E(t)，由許多單頻成分簡諧振蕩疊加,各成分相應(yīng)的振幅為:,46,2013/2014(1),第一章,一般E(?)為復(fù)數(shù)，又可表示為,模：?E(?)?,輻角：?（?）,幾種光波場E(t)的頻譜分布：,（1）無限長時間的等幅振蕩,在時域區(qū)表達(dá)式：,頻譜：,功率譜為：,E0,,,,?0,47,（2）持續(xù)有限時間的等幅振蕩,功率譜：,時域區(qū)：,,,,T,,頻譜：,48,(3)衰減振蕩,時域：,頻譜：,功率譜：,衰減振蕩可視為無限多個振幅不同，頻率連續(xù)變化的簡諧振蕩的疊加,頻譜寬度:最大強度一半所對應(yīng)的兩個頻率?1和?2之差,49,2013/2014(1),第一章,(4)準(zhǔn)單色光,例：表觀頻率為?0振動，振幅為高斯函數(shù)的準(zhǔn)單色光波：,b)對于衰減振蕩，若?很小，頻譜很窄,a)持續(xù)有限時間的等幅振蕩，如果其振蕩持續(xù)時間很長，以致于1／T<

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物理光學(xué) 應(yīng)用光學(xué) 第一章