工程光学导论

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1、工程光学导论参考书：《工程光学》，田芊、廖廷彪、孙利群著，清华大学出版社，2006王肇圻，wangzq@nankai.edu.cn第一章发光和光波的特性1.1人类对光的认识过程17世纪明确形成了两大对立学说牛顿惠更斯微粒说波动说由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风19世纪初证明了波动说的正确性这里的光子完全不同于牛顿所说的“微粒”19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性光子说光的微粒说：光是沿直线高速传播的粒子流。代表人物牛顿。牛顿于1675年提出：“光是一群难以

2、想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”。可以解释：光的直进性、影的形成、光的反射和折射、光的色散。v2>v1光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样光的波动说：光是某种振动，以波的形式向四周围传播。代表人物：早期的英国物理学家胡克、后来的荷兰物理学家惠更斯，提出“光是以太的一种纵向波”的假说：媒质中波动传到的各点,都可以看作是发射子波的波源,在其后的任一时刻,这些子波的包络面就决定了新的波阵面。光的颜色是由其频率决定的。可解释：（1）光的反射、折射、光的反射和

3、折射可以同时发生。（2）光的独立传播：两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播。干涉现象：英国医生兼物理学家托马斯·杨于1801年进行了著名的杨氏干涉实验。衍射现象：法国工程师菲涅耳于1818年演示了小孔衍射。干涉和衍射是波动的重要特征。介质中的光速测定：1850年，傅科(J.B.L.Foucault法)实验测得：v2

4、了电磁波的理论（1865年），进而提出了光是电磁波的结论：（1）光与电磁波都是横波，传播速度相同，都有干涉、衍射现象。（2）光的颜色是由电磁波的频率决定，不同频率的色光在介质中波速不同；同一色光在不同介质中，频率不变，波长和波速都要改变。（3）光与机械波的不同点：机械波传播需要介质，其波速与介质的性质有关，与波的频率无关；光波可在真空中传播，在真空中传播的速度均为3.0×108m／s，在介质中传播时，波速不仅与介质性质有关，还与频率有关。1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！入射光线光电效

5、应OOOOOOVGAKBOO光强较弱光强较强伏安特性曲线1.饱和电流：单位时间内,受光照的金属板释放出的电子数和入射光强度成正比。2.遏止电势差：光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，初动能与入射光的强度无关。3.红限（遏止频率）：最大初动能与入射光的频率成线性关系，入射光的频率小于红限时，照射光的强度无论多大，不产生光电效应。爱因斯坦解释：一束光是一束以速度为c运动的粒子流，这些粒子称为光量子或光子，每一光子的能量与其频率有关:其中h为普朗克常数。爱因斯坦光电效应方程:其中为电子的速度，A为脱出功。1921年，康

6、普顿在试验中证明了X射线的粒子性。X光管光阑散射物质康普顿实验装置示意图X光检测器(1)除了有与入射光波长λ0相同的射线之外，还出现一种波长λ大于λ0的射线，波长的偏移随散射角而异；散射角增大，波长的偏移也随之增加。(2)在同一散射角下，对于所有散射物质,波长的偏移都相同,但原波长的谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增加。光子理论对康普顿效应的解释：1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光的波长大于入射光的波长；2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，碰撞前后光子能量几

7、乎不变，波长不变。3.碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长的改变和散射角有关。4.碰撞满足能量守恒和动量守恒。自由电子00光的波-粒二象性光不仅具有波动性，还具有粒子性，这种双重性称为波-粒二象性。光子的质量、能量、动量和光波的频率、速度通过下式联系起来：质量：能量：动量：760nm400nm可见光电磁波谱红外线紫外线射线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波电磁波谱：电磁波的范围很广。为了便于比较，以便对各种电磁波有全面的了解，可以按照波长（或频率）的大小，把它们依次排成波谱，称为电磁波谱。1.2光波

8、—电磁波的表述当电磁波在真空中传播时，速度为c电磁波的速度：电磁波在介质中的传播速度取决于介电常数和磁导率，关系式为:介质的绝对折射率：电磁波在真空中的速度与在介质中的速度是不等的。为了描述不同介质中电磁波传播特性的差异，定义绝对折射率：代入光速c、v各自的表达式，有由麦克斯韦方程组：1.2.1平面电磁波由电磁场的麦克斯韦方程组，可以导出两个偏微分方程即波动