1、文科物理光學光學的開展歷史光學的根本概念、原理及運用神奇之光-激光物理系：馬麗珍 .光學的開展歷史光學的來源可以追溯到二、三千年前 歷史概述戰(zhàn)國時代哲學家墨翟所著中，有關于小孔成 像景象、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等等的表達。戰(zhàn)國時代哲學家淮南子發(fā)明了用以取火的器皿“陽燧。北宋時期 沈括10311095的名著 中記載了關于凸面鏡的成像，以及關于日食、月食 的原因和預告。 .光學的開展歷史西方也很早就有光學知識的記載歐幾里得(公元前約330一260)的反射光學研討了光的反射。阿拉伯學者阿勒哈增(ALHaMn，965-1038)寫過一部，討論了許多光學景象。.1.1299年，發(fā)明了眼鏡。意大利人阿瑪?shù)?/p>

2、制造了眼鏡。2.1608年，荷蘭人李普塞制成第一臺望遠鏡，伽利略改良成放大32倍的望遠鏡。3.幾乎與望遠鏡同時，荷蘭人發(fā)現(xiàn)制造了顯微鏡。 光學儀器的研制光學的開展歷史.光學的開展歷史光學真正構成一門學科，應該從建立反射定律和折射定律得時代算起，這兩個定律的建立奠定了幾何光學的根底。從17世紀以來，展開了關于光的本性的認識研討。其中以牛頓為代表的光的微粒說和以荷蘭科學家惠更斯為代表的動搖說最為重要。這兩種學說的爭論不斷繼續(xù)到20世紀初，愛因斯坦把光的微粒說與動搖說在新的層次上一致同來，提出了光具有波粒二象性，并為世人所公認。.阿拉伯學者阿勒.哈增965-1038發(fā)現(xiàn)這一結論與現(xiàn)實不符。光的折射定

3、律建立的歷史過程托勒密早在古希臘時代，天文學家托勒密約公元100年170就 曾專門做過光的折射實驗，并得出了“折射角與入射角成正比的結論。17世紀初期，1611年，開普勒對光的折射問題上進展了實驗研討.光的折射定律建立的歷史過程. ，斯涅耳的這一折射定律也稱斯涅耳定律是從實驗中得到的，未做任何的實際推導，雖然正確，但卻從未正式公布過只是后來惠更斯和伊薩克沃斯兩人在審查他遺留的手稿時，才看到這方面的記載 ， 光的折射定律建立的歷史過程折射定律的正確表述最早是由荷蘭的斯涅耳(W.Snell，15801626)于1621年經過實驗得到的。.笛卡兒，他沒做任何的實驗，只是從一些假設出發(fā)，并從實際上推導

4、出這個定律的 。為了使實際結果與實驗數(shù)據(jù)相符，他還必需假設密媒質光速比疏媒質大。如今看來這個假設顯然都是錯誤的。 笛卡爾的推導遭到了費馬PierrFermat，1601-1665的批判。1661年，費馬將數(shù)學方法用于折射問題，推出了折射定律，得到了正確的結論。 光的折射定律建立的歷史過程.科學過程，是人類一代代探知外在客觀、探知各種規(guī)律的一個永無盡頭的過程，是一個后人不斷補充、不斷修正乃至推翻前人認識的不斷進取的過程。. 光的微粒說1704年，牛頓：“光是一種細微的大小不同的而又迅速運動的粒子。 光的動搖說荷蘭物理學家惠更斯開展了胡克的思想，惠更斯像人類對光的本性的認識過程胡克：“光必定是一種

5、振動。他進一步提出光是發(fā)光體中微小粒子的振動在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過程。光的傳播方式與聲音類似，而不是微粒說所想象的像子彈或箭那樣的運動。.早期的動搖實際缺乏數(shù)學根底，還很不完善，而牛頓力學正節(jié)節(jié)勝利。以符合力學規(guī)律的行為來描畫光學景象，被以為是獨一合理的實際，因此，直到18世紀末統(tǒng)治位置的依然是微粒學說。.光學的開展歷史19世紀光的動搖說的兩個英雄： 托馬斯楊(1773-1829)：英國人，是一位想象力異常豐富的博學通才。1799年在劍橋大學完成學業(yè)，獲醫(yī)學學位。它對眼睛生理學、解剖學和對顏色的視覺很有研討。因涉及到人眼對顏色的視覺研討，故他對光學，尤其光的動搖學說感興趣。 1802

6、年設計了楊氏雙縫實驗，證明了光的干涉景象 菲涅耳(1788-1827) ：法國工程師。完善了惠更斯實際，提出了子波相關的思想，解釋了光的衍射想象.托馬斯楊(1773-1829)的奉獻楊氏雙縫干涉：1802年英國物理學家托馬斯楊設計了楊氏雙縫實驗，證明了光的干涉景象。.面對牛頓如日中天的氣勢，楊以不唯名的英勇精神說：“雖然我敬慕牛頓的大名，但我并因此非得以為他是百無一失的。我遺憾地看到他也會弄錯，而他的權威也許有時甚至妨礙了科學的提高。光學的開展歷史小插曲：托馬斯.楊由于提出干涉原理遭到了一些權威學者的圍攻，其中有一位以牛頓學術權威自居的布勞安攻擊得最為刻薄，說他的文章沒有任何價值，稱不上是實驗

7、，干涉原理是荒唐和不合邏輯的，一二十年，竟沒有人了解他的任務，為回駁布勞安專門撰寫的論文竟無處發(fā)表，只好印成小冊子，小冊子出版后，只賣出一本。.1808年，法國的馬呂斯發(fā)現(xiàn)偏振景象，并以為找到了決議性的證據(jù)，證明光的動搖實際與現(xiàn)實矛盾。托馬斯楊面對困難并沒有動搖本人的科學信心,他寫信給馬呂斯說 “您的實驗證明了我采用的實際(即干涉實際)有缺乏之處，但我做的這些實驗并沒有證明它是虛偽的。經過幾年的研討，托馬斯楊逐漸領悟到要用橫波的概念來替代縱波，而這正是菲涅耳(A8ushn Jean FresneI，17881827)繼續(xù)開展動搖實際的出發(fā)點。.菲涅耳(1788-1827)的奉獻1819年，菲涅

8、爾和阿拉果聯(lián)名發(fā)表了菲涅耳的實際泊松的計算阿拉果的實驗找到了有利于動搖說的泊松亮點。開展了惠更斯和托馬斯.楊的動搖實際，成為物理光學的締造者，開創(chuàng)了光學研討的新階段。光的動搖說戰(zhàn)勝粒子說被普遍接受在1818年法國科學院懸賞征文：1.利用精細的實驗確定光線的衍射效應2.根據(jù)實驗用數(shù)學歸納推導出光線經過物體附近 時的運動情況。. 費涅耳榮獲了這一屆的科學獎，而后人卻戲劇性地稱這個亮點為泊松亮斑。 菲涅耳開創(chuàng)了光學的新階段。他開展了惠更斯和托馬斯楊的動搖實際，成為“物理光學的締造者。 圖3激光器小鋼珠和載波片屏幕圖2圖1小鋼珠蓋玻片金屬片.光是以光速 c 運動的微粒流，稱為光量子光子光子的能量光的量

9、子說20世紀初，愛因斯坦把光的微粒說與動搖說在新的層次上一致同來，提出了光具有波粒二象性,并為世人所公認。光學的開展歷史.對于光的本性，雖然經過多少年的探求，我們所知道的也確實是太少了。光究竟是什么？是在某一時辰表現(xiàn)為粒子，而在另一時辰表現(xiàn)為波 ？還是完全不同于我們如今所知的某種物質？這些問題也是當今的科學家們在苦苦思索的問題。思索？了解了人們對光的本性的認識過程，他 有什么領會？光學的開展歷史.科學精神， “客觀的根據(jù)，理 性的疑心多元的思索，平權的爭論，實際的檢驗?？茖W精神，是任何一個科學家，包括自然科學家和社會科學家，在從事科學研討活動時，缺一不可為、缺一難以為的根本要素和根本準那么 科

10、學精神與人文精神 客觀的根據(jù)實際的檢驗理 性的疑心多元的思索，平權的爭論實際、實驗.歷史和現(xiàn)實也無情地證明無論在任何時候，無論在任何地方，也無論以任何方式，打擊、壓制、限制這種人類特有的思想，實踐上就是打擊、壓制、限制人類區(qū)別于動物的這種特有的最大的優(yōu)勢，其結果只會是呵斥不堪想象的破壞性的惡果。 科學精神與人文精神 人，人類，作為高級動物，其區(qū)別于低級動物的最本質的特征就是：會思想，會理性思想，會經過言語表達思想，會經過行動實際思想。而在這種理性思想中，又以發(fā)明性思想、突破性思想、開展性思想為人類最大的和最普遍的優(yōu)勢所在。人類本身、人類社會恰恰是由于依托了這種發(fā)明性思想、突破性思想、開展性思想

11、才得以從愚笨走到今天這樣高度文明的開展程度。.人類為了到達無妨礙地進展這種理性思想的境界，就必需擺脫思想的依靠，換句話說就是必需“以人為中心、以人為本。 科學精神與人文精神 而人類為了真正做到擺脫思想依靠，即真止做到“以人為中心和“以人為本，就必需提倡、遵照和尊重以“客觀的根據(jù)，理性的疑心多元的思索，平權的爭論，實際的檢驗等五要素為主的科學精神。換句話說、人們假設不能提倡、遵照、尊重這五條原那么，就根本不能夠成為真正擺脫思想依靠、精神依靠的自在的人。 .電磁波的發(fā)現(xiàn)麥克斯韋從實際上預言了電磁波的存在，并于1873年出版了專著。1888年赫茲用實驗初次證明了電磁波的存在。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意

12、義，它不僅證明了麥克斯韋的預言，更重要的是導致了無線電的誕生，開辟了電子技術的新紀元。光學的開展歷史.電磁波譜自從1888年 赫茲經過一系列實驗證明了電磁波的存在之后，時至今日，不僅證明了光波是電磁波，而且證明了紅外線、紫外線、X射線、 g 射線等均是不同頻率范圍內的電磁波。真空中電磁波的傳播速度：電磁波的頻率() 、速度(c)、波長()關系：.電磁波譜電磁波的頻率、速度、波長關系：.放射性實驗、產生高能粒子、研討天體、宇宙醫(yī)療透視、金屬探傷、物質晶體構造紫外線殺菌、熒光效應熱輻射紅外雷達、紅外相機、夜視儀、取暖、烘干電視、雷達、無線電導航通訊、導航、航海航空定向、無線電廣播、電報1納米=10

13、-9米；1微米=10-6米.一、光的反射、折射和全反射光在介質中的速度：光密介質與光疏介質?光學的根本概念與原理.當入射角 發(fā)生光的全反射。一、光的反射、折射和全反射介質1:石英;介質2:空氣.光學的根本概念與原理.光導纖維內：纖芯，5-10微米外；包層；約100微米ABn2n1n0ii.光纖通訊光纖通訊中信息的載體是光波，傳輸媒質是光纖，從而將信息從一端傳向另一端。頻率越高所能傳播的線路越多。無線電通訊 ：3MHZ30MHZ 可傳100套廣播； 300MHZ3105MHZ可傳1105套廣播。激光通訊：頻率達1014Hz，可傳108套廣播。激光的傳輸速率每秒622兆比特，比電傳輸速率每秒幾萬比

14、特高幾個數(shù)量級。.1966年由英籍華人高錕提出創(chuàng)意。1967年，光經過100米的玻璃絲，光能只剩百億分之一。1970年美國康寧公司馬瑞爾、卡普隆、凱克研制出了第一根適用的光纖。1985年，全世界光纖線路已達455.5萬公里。北美和歐洲鋪設了長6500公里海底光纜，可以傳輸36000路?，F(xiàn)正預備花150億美圓，鋪設32萬公里海底光纜銜接125個國家。光纖通訊1983年，美國貝爾實驗室鋪設的紐約到華盛頓間的光纜，1440芯，直徑僅13毫米，可同時通訊4.6萬路。. 肥皂泡上的彩色干涉條紋油膜上的彩色干涉條紋 蟬翼上的彩色干涉條紋 二、光的干涉、衍射和偏振 1、光的干涉他留意過這些景象嗎？?. 彈簧

15、振子的振動.2相位差1相位差相互加強相互減弱.波的干涉之模擬演示圖某些位置的點振幅一直最大，另一些位置振幅一直最小，而其它位置，振動的強弱介乎二者之間，堅持不變，稱這種穩(wěn)定的疊加圖樣為干涉景象. 無阻尼電磁振蕩的振蕩方程KABLC 電磁振蕩電路.平面電磁波.楊氏雙縫干涉：1802年英國物理學家托馬斯楊設計了楊氏雙縫實驗，證明了光的干涉景象。.光程差:相關相長相關相消楊氏雙縫干涉：歷史上第一次測得波長.薄膜干涉 肥皂泡上的彩色干涉條紋油膜上的彩色干涉條紋 蟬翼上的彩色干涉條紋 .增透膜：增反膜：激光器諧振腔高反鏡檢查光學元件的外表：薄膜干涉 .二、光的衍射：S波在傳播過程中遇到妨礙物，可以繞過妨

16、礙物的邊緣前進這種偏離直線傳播的景象稱為衍射景象.單縫衍射.光柵衍射分析復色光光譜的光譜儀1821年德國物理學家夫瑯和費初次將金屬絲并排緊靠而構成一密集而等間距的多狹縫-衍射光柵。高科技可制成每厘米有超越一萬條狹縫的光柵。.圓孔衍射愛里斑角半徑:.眼睛、照相機、望遠鏡、顯微鏡最小分辨角：分辨身手：光學儀器分辨身手:.提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設法減小光的波長，或者，用電子束來替代光。根據(jù)德布羅意的物質波實際，運動的電子具有動搖性，而且速度越快，它的“波長就越短。假設能把電子的速度加到足夠高，并且會聚它，就有能夠用來放大物體。1938年，德國工程師Max Knoll和Ernst Ruska制

17、造出了世界上第一臺透射電子顯微鏡TEM。1952年，英國工程師Charles Oatley制造出了第一臺掃描電子顯微鏡SEM。電子顯微鏡是20世紀最重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以到達納米級10-9m。很多在可見光下看不見的物體例如病毒在電子顯微鏡下現(xiàn)出了原形。提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設法減小光的波長，或者，用電子束來替代光。提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設法減小光的波長。光學儀器分辨身手:1938年，德國工程師Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一臺透射電子顯微鏡TEM。(用電子束來替代光)。電子顯微鏡是20世紀最重要的發(fā)明之一。

18、.可見光作為光源的顯微鏡，分辨率是0.2微米電子顯微鏡的分辨率可以到達納米級10-9m電子顯微鏡的分辨率可以到達納米級10-9m光學儀器分辨身手:.光學儀器分辨身手:提高光學儀器分辨率的途徑之二就是增大孔徑：美國帕洛馬山天文臺的反射式望遠鏡直徑約為5米，實際最小分辨角為1.310-7弧度。美國夏威夷的莫納克亞天文臺安裝一臺有36塊三角形鏡片組成的鏡面總直徑達10米的望遠鏡，調理36面小鏡的方位可以得到高質量的天文圖像。1990年，美國將直徑2米的哈勃空間望遠鏡發(fā)射到空間軌道上。.三、有趣的偏振光電磁波是橫波自然光 可分解為兩個方向恣意相互垂直、 振幅相等，沒有恣意相位關系的偏振光。XY 完全偏

19、振光 線偏振光光矢量只沿某一固定方向振動的光XY.兩向色性的有機晶體，如電氣石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高溫下拉伸、烘干，然后粘在兩個玻璃片之間就構成了偏振片。它有一個特定的方向，只讓平行與該方向的光振動經過。起偏檢偏偏振片.自然光.線偏振光.偏振太陽鏡、偏振立體鏡人眼對光的偏振的形狀是不能分辨的，某些昆蟲的眼睛對偏振卻很敏感(蜜蜂)。.光與顏色17世紀60年代，I.牛頓經過有名的“日光棱鏡折射實驗得出白光是由不同顏色光線混合而成 顏色是人類眼睛對某一段波長的電磁波做出的反響。.我們做這樣一個實驗，取三個手電筒，分別用紅色、綠色和藍色的彩紙遮住，來到一個黑暗的房間，讓三柱光束相互疊加紅光和藍光疊加會呈現(xiàn) 紅紫色紅光和綠光疊加會顯示黃色綠光和藍光疊加會顯