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第一讲 光学发展史
第一讲 光学发展史（3学时）
参考书 物理学史
? 引言
? 古代光学发展史
古希腊欧几里德《几何原本》《反射光学》、托勒密《光学》：几何光学基本现象 1. 几何光学时期 1.1 几何光学的建立
开普勒研究折射定律，入射角与折射角不成正比，发现全反射 荷兰斯涅尔定律：n1sin?1= n2sin?2
笛卡尔的解释：微粒说，光密中速度快
法国费马解释：费马原理，最小（极值）光程原理。 1.2 光的微粒说与波动说－本性认识
微粒说：笛卡尔－牛顿 波动说：荷兰惠更斯 2. 波动光学时期
1801年Tomas.Young贡献：双缝实验。 法国Fresnel贡献：惠更斯－菲涅尔原理
1818年法国科学院征文，证明光的微粒说，菲涅尔提交论文。 法国马吕斯提出偏振：马吕斯定律
杨、菲涅尔、阿拉果合作研究偏振光干涉实验，提出光是横波。 1850年傅科测量水中光速，波动说最后胜利。 3. 物理光学时期 3.1 麦克斯韦（Maxwell）电磁理论
????D??0 电场Gauss定理 ????E???B??t Farady电磁感应定律 ???B?0 磁场Gauss定理?????H??E?t(*)?J0 Ampere环路定理3.2 电磁波－矢量亥姆霍兹方程（赫兹实验验证）
????2E?k2E?0???2H?k2H?0k?nk0???0?r V?1?0?r电磁波谱（长波、中波、短波、微波、红外、可见光、紫外、X射线、?射线）
3.3 菲涅尔公式（电磁场边界条件）
B和D法向方向连续，E和H切向方向连续
菲涅尔公式以及折射和反射时和振幅（强度）比，n相差越大，反射越多
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―第一讲 光学发展史
菲涅尔反射：水2%，玻璃4%，钻石15%左右
经典光学建立在电磁学丰厚土壤上，9世纪末基本成熟 4. 现代光学及现代物理学 ? 19世纪末经典物理的成就 ? 经典物理学危机
迈克尔逊－莫雷实验、黑体辐射实验、光电效应实验等。 4.1 量子论
黑体辐射实验
（维恩辐射公式）短波符合
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（瑞利－金斯公式）长波符合，紫外灾难
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c1900年德国普朗克公式
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?1德国普朗克公式的解释－量子假说
1905年爱因斯坦光量子假说，解释光电效应 康普顿散射实验
1913年丹麦玻尔原子模型
（电子轨道量子化，能量量子化，频率量子化） 4.2 量子力学的诞生
1923法国德布罗伊波粒二象性
?哈密顿方程???Ldt?0???(T?V)dt?0 ??nLdt?0 费马原理(L拉哥朗日函数)???（1927年戴维逊－革未实验验证电子衍射）
1925年德国海森堡建立矩阵力学
（矩阵力学，对易原理，量子力学诞生、测不准原理） 1926年奥地利薛定谔创立波动方程 （借鉴哈密顿方程）
（物质波意义，玻恩统计解释） 量子力学应用（激光理论，激光器） 4.3 相对论的诞生
迈克尔逊－莫雷实验的目的及意义
（Maxwell方程组不满足协变，x/=x+vt，只适用于绝对参照系－以太） 当时认为光速是相对于绝对坐标系的速度
（迈克尔逊－莫雷实验测试光速相对地球的速度，但无法测出，即无法证实以太漂移） 荷兰洛伦兹贡献－修正坐标变换（洛伦兹变换） （但认为存在绝对时间） 法国彭加勒贡献
（提出光速在真空中不变，认为绝对运动不存在，但未抛弃以太）
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第一讲 光学发展史
爱因斯坦狭义相对论
（1905年提出，同年获苏黎世大学博士）
（如何统一光速不变原理和相对性原理，绝对时间空间） （四维空间，间隔不变－因果关系） （Sagnac效应证明）
爱因斯坦独立创建广义相对论
（引力问题，惯性参照系－所有参照系） （广义协变，引力引起时空弯曲） 4.4 激光的诞生
1917年爱因斯坦《关于辐射的量子力学》，预言受激辐射
1954年微波量子放大器出现（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation） 1958年肖洛、汤斯提出激光建议
1960年梅曼制作第一台红宝石激光器，激光诞生 1961年氦氖激光器（连续运转） 1962年半导体激光器
1964年氩离子激光器、二氧化碳激光器、钕玻璃激光器 ? 激光特点
高简并度、高相干性、高亮度、方向性好 ? 激光理论
原子与光的相互作用 经典（偶极子、电磁波）、半经典（原子能级、电磁波）、全量子（原子能级、场振子） 5. 现代光学分支 仪器光学
几何光学为主，以计算机辅助设计为主（CAOD5、Optiwave、Rsoft、Zmax） 现代光学仪器：相干检测技术，激光测距仪，光度计、光谱分析仪等 薄膜光学
波动光学 菲涅尔公式
增透膜、冷光膜、DWDM及GFF 红外光学
红外夜视仪、温度传感器 微光学（MOMES）
MEMES、光纤器件（隔离器、环形器、滤波器等）、纳米技术 导波光学、集成光学、光纤光学
波导：微波与光，条形波导与光纤；LiNbO3，SiO2，GaAs；Y波导、外调制器、 生化（物）及医用光学 信息光学及全息术
物、像、传递函数，透镜的Fourier变换特性、白光全息术 光计算
光学双稳态及光开关 自适应光学
仪器光学与微机电结合，自动反馈及控制 非线性光学
P与E的非线性，n与E的关系（克尔效应），Stokes 光（Raman及Bruion散射） 光通信
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