光学常识与光学发展简史.docx

1、光学常识与光学发展简史光是什么？光学常识与光学发展简史光是一种重要的自然现象，我们所以能够看到客观世界中五彩缤纷、瞬息万变的景象，是因为眼睛接收物体发射、反射或散射的光。据统计，人类感官收到外部世界的总信息量中，至少有90以上通过眼睛。光这种东西看得见摸不着，没有气味也没有重量，能一下子充满整个空间，阳光、月光、星光、火光、灯光，光无处不在，可光究竟怎样产生，为什么会具有如此特性？光能反射、折射、散射、衍射、辐射、光是电磁波，光是最小的能量单位。光是联系宇宙，探索人类起源的媒介。1 光是什么When atoms or molecules drop from a higher state of

2、energy to a lower one, they lose energy and emit it in the form of radiation. At the microscopic level, visible light is created when an electron within an atom in an excited state drops to a low energy state and loses this excess energy. The same way, incoming light can elevate an electron to a hig

3、her state of energy by being absorbed by it.当很多原子或分子从高能量的状态跃迁到低能量的状态，它们损失的能量以辐射的形式释放出来。在微观视角，当原子中的电子从一个兴奋状态到了一个低能量的状态，这个过程就释放了多余的能量，就产生了可见光，同样，当光被电子吸收后，电子的能量就会升高。Microscopically, the moving charge of electron creates an oscillationg magnetic field, which creates an oscillating electric field perpend

4、icular to it. These two fields move themselves through space, transferring energy from one place to another, carring information about its place of creating with it.从宏观角度，电子的电荷产生了一个变化的磁场，随之出现一个和它垂直的变化的电场。这两个场在空间内移动着，给对方提供能量，并包含了它们来源的信息。So light is part of a spectrum, an elementary particle that also

5、 behaves like a wave, propelled by two perpendicular fields, travelling at the speed limit of the universe.光就是光谱上的一部分，基本颗粒也表现得像波，由两个相互垂直的场推动，以宇宙中有限的最大速度传播。2 光学常识2.1 光的几何特性光在传播过程中，表现出光的直线传播定律、反射定律（包括光路可逆原理）的折射定律，我们是用光线和波面这两个特征量来描述的，这就是几何光学，以称射线光学，也就是传统意义上的应用光学。三条基本定律是几何光学的基本原理。指当光射到两种介质的分界面上时，有一部分光改变

6、传播方向，回到原介质中内继续传播，这种光反射现象叫做光的反射。光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处，只是返回原介质中，而折射光则进入到另一种介质中，由于光在在两种不同的物质里传播速度不同，故在两种介质的交界处传播方向发生变化，这就是光的折射。在两种介质的交界处，既发生折射，同时也发生反射。反射光光速与相同 ，折射光光速与入射光不同。只有反射而无折射的现象称为全反射，光导纤维就是利用全反射规律而使光线沿着弯曲路径传播的光学元件。反射和折射分为镜面反射与球面反射。球面反射和折射：2.2 光的波动特性光的

7、干涉、衍射和偏振现象证明了光在传播过程中具有波动特性，我们是用波长（或频率）和相位这两个特征量来描述的。光的干涉（Interference of light）：如果两波频率相等，在观察时间内波动不中断，而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线，那么它们叠加后产生的合振动可以在有些地方加强，在有些地方减弱，这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。两波相遇，如果波峰遇到波峰，波谷遇到波谷，两波叠加，互相加强。如果波峰遇到波谷，波谷遇到波峰，相互抵消，形成黑暗条纹。衍射（diffraction）是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。当一束平行光通过一比较窄的狭缝或者小的圆孔时，它不仅偏离了原来的

8、直线传播方向，而且光强出现了类似干涉现象的明暗相间的重新分布。偏振：波的振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振。它是横波区别于纵波的一个最明显的标志。波的振动方向与传播方向相同的波称为纵波（声波），垂直的波称为横波，只有横波才有偏振现象。电磁波与机械波：波是振动在空间的传播。如在空气中传播的声波，在水面传播的水波以及在地壳中传播的地震波等，它们都是由振源发出的振动在弹性介质中的传播，这些波统称为机械波。光波、热辐射、微波、无线电波等都是由振源发出的在空间的传播，这些波叫做电磁波。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，故为横波（平面

9、波）。在均匀介质中，波呈球面扩散的方式向外传播，所以可称为球面波；但是，当传播距离很远后，球面的局部的曲率很小，可以看作平面波。所以说，球面波是波传播的整体特征，平面波是波的局部特征。收音机是接受电磁波而工作的。收音机的分类是根据电磁波的波长分的。有FM、SW、AM，FM即调频广播，SW是短波，AM是中波，又叫调幅广播。最常见的就是FM、AM。FM又叫超短波广播，波长最短，信号几乎直线传播，信号最稳定，音质最好，覆盖范围也最小，基本覆盖一个市或者周边部分市区，其电磁波的频率和电视的差不多，所以有些收音机有收电视伴音的功能。AM中波，以前对中波收音机接触应该最多，覆盖范围比FM大，晚上收的台会多

10、一些，东部地区有时可以收到台湾、香港、日本等的中波广播。SW即国际广播，要收听国际电台就要就是靠它了！它的覆盖范围自然最大。SW通常又分为7个波段，再加上AM、FM就是九波段，短波的范围再扩展至九个波段，这样下来就共有十二个波段即全频收音机！2.3 光的粒子特性光在传播过程中表现出波动的特性，光在与物质相互相互作用的过程中表现出粒子的特性。光与物质的相互作用可以分为两种类型：其一是光与物质的宏观相互作用，具体表现为光在介质内传输时，介质对光强度的吸收、对不同频率光的色散以及对光的散射等宏观物理效应。其二是光与物质的微观相互作用，在热平衡状态下，物质原子对光的发射特性和吸收特性，比如，热辐射的规

11、律、光电效应、康普顿效应，发光原子稳定性以及单质原子的线状光谱等。就光与物质相互作用现象和物理机制来看，无论是宏观还是微观相互作用，经典理论都不能够给予完整的解释，特别是光与物质的微观相互作用方面，甚至出现了严重的矛盾。正是由于经典理论在光学领域的这些困难促使科学家们经过艰苦的探索，终于在20世纪初建立了以量子论为核心、以波粒二象性和质能守恒为两块基石的控物理学。光的吸收、散射和色散：都是由光和物质的相互作用引起的，实质上是由光和原子中的电子相互作用引起的。光的吸收是指原子在光照下，会吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。从实验上研究光的吸收，通常用一束平行光照射在物质上，测量光强随穿透距

12、离衰减的。光的散射（scattering of light）是指通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。光的色散：在光学中，将复色光（如白光）分解成单色光（如红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）的过程，叫光的色散。色散可以利用三棱镜或光栅等作为色散系统的仪器来实现。辐射指的是由场源发出的电磁能量中一部分脱离场源向远处传播，而后不再返回场源的现象，能量以电磁波或粒子（如阿尔法粒子、贝塔粒子等）的形式向外扩散。自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度（-273.15摄氏度）以上，都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式被称为辐射。辐射之能量从辐射源向外所有方向直线放射。物体

13、通过辐射所放出的能量，称为辐射能。辐射按伦琴 /小时(R)计算。辐射有一个重要特点，就是它是对等的。不论物体（气体）温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同时乙也可向甲辐射。一般普遍将这个名词用在电离辐射。辐射本身是中性词，但某些物质的辐射可能会带来危害。黑体辐射：我们知道，各种物体由于结构不同，对外来辐射的吸收以及它本身对外的辐射都不相同。一个物体之所以是白色的，是因为它反射所有频率的光波。如果看上去是黑色的，那是因为它吸收了所有频率的光波（黑色的物体可吸收可见光（不反射、不穿透），假设有这样一种物体，能够吸收所有电磁波（外来电磁辐射），也不反射和穿透，但可以辐射（释放能量），这样的物

14、体称为黑体，当黑体吸收不同频率的电磁波时，其能量密度怎样用公式描述？后来搞出了一套分别在短波（从粒子角度出发）和长波（从电磁波角度出发推导）范围内才能起作用的公式。1900年，普朗克在研究黑体时，发现了一个普适公式，这个公式必须假定：能量在发射和吸引的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。光电效应：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。康普顿效应：1923年，

15、美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长0的x光外，还产生了波长0 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难，康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。2.4 波粒二象性光的干涉、衍射和偏振表明光具有波动性、光的黑体辐射、光电效应和康普顿效应又表明光是粒子，具有微粒性，那么，光空间是波还是粒子呢？事实上，这个问题已经不能用经典的波和粒子来描述它了，现在的回答是光具有波粒二象性，这里的波、粒已经

16、不是经典理论中的概念，严格的表述将由量子电动力学给出。波粒二象性（wave-particle duality）指的是所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。这意味着经典的有关粒子与波的概念失去了完全描述量子范围内的物理行为的能力。爱因斯坦这样描述这一现象：好像有时我们必须用一套理论，有时候又必须用另一套理论来描述（这些粒子的行为），有时候又必须两者都用。我们遇到了一类新的困难，这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的的观点来描述现实，两种观点单独是无法完全解释光的现象的，但是合在一起便可以。波粒二象性是微观的基本属性之一。1905年，提出了的解释，人们开始意

17、识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，提出假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有和等波动现象，这被后来的试验所证实。当我们用某种物质与微观客体的相互作用去探测该微观客体时，就它被集中的意义来说，它是粒子。当它在运动时，就观察到衍射现象的意义来说，它是波动。光波的传播不需要任何介质，光在传播过程中表现出波动的特性，光在与物质相互相互作用的过程中表现出粒子的特性。宏观电磁波或光波是电磁振荡产生的，实际上是原子中电子能级的跃迁而发出的。光有时候表现的是粒子现象，有时候呈现的是波现象。如一个人有时善，有时恶，你无法定义他是一个恶人还是一个善人。德布罗意波也叫

18、物质波，在光具有的启发下，法国物理学家德布罗意（18921987）在1924年提出一个假说，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式p=h/推广到一切微观粒子上，指出：具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性，这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比，即= h/（mv）。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。发现了电子、质子等微观粒子的波动性以后，对微观世界的认识统一起来了。不仅原来认为是电磁波的光具有粒子性，而且原来认为是粒子的电子、质子等也具有波动性。机械波是周期性的振动在媒质内的传播，电磁波是周期变化的电磁场

19、的传播（无媒质）。物质波既不是机械波，也不是电磁波。在提出物质波以后，人们曾经对它提出过各种各样的解释。到1926年，德国物理学家（18821970）提出了符合实验事实的后来为大家公认的统计解释：物质波在某一地方的强度跟在该处找到它所代表的粒子的几率成正比。按照玻恩的解释，物质波乃是一种。德布罗意波的统计解释粒子在某处邻近出现的概率与该处波的强度成正比。当然，应该指出，虽所有的微观粒子都具有波粒二象性，但光子跟电子、质子等粒子还是有很基本的区别的。光子没有静质量，电子、质子等都有静质量光子的永远是c，电子、质子等却可以有低于光速c的各种不同的运动速度。光与电子都具有波粒二象性，如何理解波粒两者

20、的关系呢？我们来看一个实验，分别用电子流和光照射一个狭缝，当电子流的密度很小，以致电子一个一个地通过狭缝，接收屏表面上开始时出现的是一些位置并不重合而且是无规则分布着的点，随着时间延长，点的数目增多最终形成衍射图样。这提示了粒子性和波动性之间的关系，即单个光子和电子的行径是无规则的，而大量的光子和电子的分布与波动理论一致。在经典力学中，为了确定宏观物体的运动状态，必须同时知道这个物体的位置（坐标）和动量。对于微观粒子，前面已经知道它具有波粒二象性，那么还能用经典力学的位置（坐标）和却是来准确描述微观粒子的运动状态吗？1927年海森堡提出了不确定性原理，同一方向上微观粒子的动量和位置不能同时准确

21、确定。2.5 其它的一些光学常识光速：波长*振动频率；（波长是光的两个波峰或波谷之间的距离），光的波长越短，波的振动频率越高。光是一种辐射，紫外光适当有益，过多有害。可见光。人眼不可见的光，有一些动物，如蝇却是可见的，紫外线灭蚊灯就是这一原理的应用。人的色彩感觉：一般来说，不同波长的可见光投射到物体上，一部分波长的光被吸收，另一部分波长的光则被反射出来刺激人的眼睛，经过视神经传递到大脑后，人便形成了对物体的色彩信息。如红花在阳光下之所以呈现红色，因为它吸收了蓝色光和绿色光，反射了来自太阳的红色光。彩虹是当太阳光照射到半空中的水滴，光线被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩光谱，由外圈至内圈呈红、

22、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。事实上彩虹有无数种颜色，比如，在红色和橙色之间还有许多种细微差别的颜色，但为了简便起见，所以只用七种颜色作为区别。彩虹是因为阳光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈，造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次，总共经过一次反射两次折射。因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，红光的折射率比蓝光小，而蓝光的偏向角度比红光大。由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来，红光

23、在最上方，其他颜色在下。因此，彩虹和霓虹的高度不一样，颜色的层递顺序也正好反过来。彩虹意旨光线经过两次折射一次反射，霓虹则是光线经过两次折射两次反射。云彩为什么有白色、黑色和红色呢？为什么没有其它颜色呢？这些不同颜色的云彩有什么不同吗？这样一个非常简单的问题，很多人居然不知道如何回答。这是长期的思维惰性造成的，我们用中学的知识就可以解释这个问题了。云彩的红色来自太阳光通过大气层时的折射，因此只有早晨和傍晚才出现红色的云彩，也就是朝霞和晚霞。因为太阳光在大气层发生折射时不是单一的细光束，而是发生在大面积的折射，由于相互叠加，只能在最边缘出现红色，顶多会出现一点橙色。而云彩的白色和黑色是云层的厚度

24、以及云层、太阳与观察者之间的相互位置造成的。激光：普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。原子受激辐射的光，故名激光：原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被引诱（激发）出来的光子束（激光），其中的光子光学特性高度一致（行进方向上，波长、波峰与波谷的位置关系完全一致，叠加效应更强）。3 光学仪器光的干涉、衍射和偏

25、振现象证明了光在传播过程中具有波动特性，我们是用波长（或频率）和相位这两个特征量来描述的，另一方面，光在传播过程中，又表现出光的直线传播定律、反射定律（包括光路可逆原理）的折射定律，我们是用光线和波面这两个特征量来描述的，这就是几何光学，以称射线光学，也就是传统意义上的应用光学。三条 基本定律是几何光学的基本原理，它不考虑光的波动性，即不考虑光的干涉、衍射等波动性，而只根据光能量沿着直线传播的概念来处理问题，这是光学仪器成像的理论基础。但是，实际上，光的波动性，特别是光的衍射现象会对光学仪器成像的分辨造成严重的制约，所以，光学仪器的设计、理论研究和实践应用，必须考虑光的波动性。光学仪器的各类很

26、多，首先，是我们的眼睛，它是一架精密的光学仪器（眼睛成像和凸透镜成像原理相同）。其他人造的光学仪器可以分为三大类：1） 助视光学仪器：有眼镜 、目镜和照相机；2） 放大和投影光学仪器：有放大镜、显微镜、望远镜和投影仪等；3） 光谱分析仪器：有棱镜光谱仪、光栅光谱仪和FP干涉仪等；望远镜是一种或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的仪器。利用通过透镜的或光线被反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大而被看到。又称。 根据望远镜原理一般分为三种。一种通过收集电磁波来观察遥远物体的电磁辐射的仪器，称之为射电望远镜，在日常生活中，望远镜主要指，但是在现代天文学中，包括了，X射线和伽马射线望远镜。天文望

27、远镜的概念又进一步地延伸到了，和的领域。显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入的标志。主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。显微镜分和：光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达波长的1/2。光学显微镜主要由目镜、物镜、载物台和反光镜组成。目镜和物镜都是凸透镜，焦距不同。物镜的凸透镜焦距小于目镜的凸透镜的焦距。物镜相当于投影仪的镜头，物体通过物镜成倒立、放大的实像。目镜相当于普通的放大镜，该实像又通过目镜成正立、放大的虚像。经显微镜到人眼的物体都成倒立放大的虚像。反光镜用来反射，照亮被观察的物体。

28、反光镜一般有两个反射面：一个是平面镜，在光线较强时使用；一个是凹面镜，在光线较弱时使用，可会聚光线。4 光学发展简史光学的发展大致可换分为5个时期：萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期。4.1 萌芽时期光学的起源和力学等一样，可以追溯到3000年前甚至更早的时期。在中国，墨翟（公元前468公元前376）及其弟子所著的墨经记载了光的直线传播和光在镜面上的反射等现象，并具体分析了物、像的正倒及大小关系。无论从时间还是科学性来讲，墨经可以说是世界上较为系统的关于光学知识的最早记录。约100多年后，古希腊数学家欧几里得（Euclid，约公元前330公元前275）在其著作中研

29、究了平面镜成像问题，提出了光的反射定律，指出反射角等于入射角，但他同时提出了将光当作类似触须的投射学说。从墨翟开始后的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。罗马帝国的灭亡(公元475年)大体上标志着黑暗时代的开始，在此之后，欧洲在很长一段时间里科学发展缓慢，光学亦是如此。除了对光的直线传播、反射和折射等现象的观察和实验外，在生产和社会需要的推动下，在光的反射和透镜的应用方面，逐渐有了些成果。克莱门德（Clemomedes）和托勒密（C.Ptolemy,90-168）研究了光的折射现象，最先测定了光通过两证介质面时代入射角和折射角。罗马哲学家塞涅卡（Seneca,

30、前3-65）指出充满水的玻璃泡具有强大功能。从阿拉伯的巴斯拉来到埃及的学者阿尔哈雷（Alhazen，965-1038）反对欧几里德和托勒密关于眼镜发出光线才能看到物体的学说，认为光线来自所观察的物体，并且光是以球面形式从光源发出的；反射和入射线共面且入射面垂直于界面，他研究了球面镜与抛物面镜，并详细描述了人眼的构造；他首先发明了凸透镜，并对凸透镜进行了实验研究，所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。培根（R.Bacon,1214-1294）提出透镜校正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性，并描述了透镜焦点的位置。阿玛蒂（Armati）发明了眼镜。波特（G.B.D.Porta，1535-1615）

31、研究了成像暗箱，并在1589年的论文自然的魔法中讨论了复合面镜以及凸透镜和凸透镜组的组合。综上所述，到15世纪末和16世纪初，凹透镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。4.2 几何光学时期这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。荷兰的李普塞（H.Lippershey，1587-1619）在1608年发明了第一架望远镜，17世纪初延森（z.Janssen，1588-1632）和

32、冯特纳（P.Fontana，1580-1656）最早制作了复合显微镜，1610年伽利略（Galilei，1564-1642）用自己制造的望远镜观察星体，发现了绕木星运行的卫星，这给哥白尼关于地球绕太阳运转的日心说提供了强有力的证据。开普勒（J.Kepler，1571-1630）汇集了前人的光学知识，于1611年发表了他的著作折光学，无论在形式上还是在内容上，该书都可与现代几何光学教材媲美，他提出了用点光源照明时，照度与受照面到光源距离的平方成反比的照度定律，他还设计了几种新型的望远镜，特别是由两块凸透镜构成的开普勒天文望远镜，他还发现当光以小角度入射到界面时，入射角和折射角近似地成正比关系，至于折射定律的精确公式则是斯涅耳（W.Snell，1591-1626）和笛卡儿（R.Descartes，1596-1650）提出的，1621年斯涅耳在他的一篇未发表的文章中指出，入射角的余弦和折射角的余弦之比是常量，而约在1630年，笛卡儿在折光学（1637年出版）中给出了我们现在熟悉的用正弦函数表述的折射定律，接着费马（P.de Fermat，160l-1665）在1657年首