第1講教案緒論麥克斯韋方程組及電磁場(chǎng)的波動(dòng)性

1、第 1 講教案題目緒論、麥克斯韋方程組及電磁場(chǎng)的波動(dòng)性本講計(jì)劃學(xué)時(shí)2對(duì)應(yīng)教材章(課)節(jié)緒論、第1章第1節(jié)教學(xué)目的1、 了解光學(xué)發(fā)展史和現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r；2、 建立光是一種電磁現(xiàn)象的理念；3、 熟悉麥克斯韋方程組的兩種形式；4、 能夠?qū)С霾▌?dòng)方程。教學(xué)進(jìn)程序號(hào)本講主要環(huán)節(jié)（內(nèi)容）時(shí)間(分)緒論1光學(xué)的研究?jī)?nèi)容和方法5/102光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史25/303物理光學(xué)研究?jī)?nèi)容5/301.1麥克斯韋方程組4積分形式的麥克斯韋方程組5/405微分形式的麥克斯韋方程組15/556物質(zhì)方程5/607麥克斯韋方程組的物理意義5/651.2電磁場(chǎng)的波動(dòng)性8電磁場(chǎng)的傳播5/709電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程15/8510電磁波在真

2、空中的傳播速度5/9011麥克斯韋關(guān)系式5/9512小結(jié)5/100板書(shū)設(shè)計(jì)緒論一、光學(xué)的研究?jī)?nèi)容和方法二、光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1、萌芽階段2、幾何光學(xué)發(fā)展階段3、物理光學(xué)發(fā)展階段4、量子光學(xué)發(fā)展階段5、現(xiàn)代光學(xué)階段三、物理光學(xué)研究?jī)?nèi)容1、經(jīng)典電磁理論基礎(chǔ)2、光的干涉3、光的衍射4、光的偏振第一章 光的電磁理論1.1 麥克斯韋方程組一、 積分形式的麥克斯韋方程組二、微分形式的麥克斯韋方程組三、物質(zhì)方程四、麥克斯韋方程組的物理意義變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)電場(chǎng)，交變的電磁場(chǎng)互相激發(fā)，以一定速度向空間傳播，形成電磁波。1.2電磁場(chǎng)的波動(dòng)性一、電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程二、電磁波在真空中的傳播速度三、麥克斯韋關(guān)

3、系式教學(xué)內(nèi)容、方法、手段設(shè)計(jì)及教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)分析本節(jié)課設(shè)計(jì)的整體思路為：兩條思路：1、從光學(xué)發(fā)展史中建立起物理光學(xué)研究?jī)?nèi)容的脈絡(luò)2、從已知知識(shí)點(diǎn)出發(fā)，深入淺出的建立本課程的理論基礎(chǔ)：回顧總結(jié) 延展拓深 綜合概括 結(jié)合實(shí)際具體地：回顧大學(xué)物理中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)通用范圍知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行概括總結(jié)，拓展延伸到光學(xué)領(lǐng)域，得出適用于物理光學(xué)研究范疇的理論基礎(chǔ)。本節(jié)課的具體內(nèi)容：1.緒論：光學(xué)發(fā)展史、物理光學(xué)課程脈絡(luò)2.光的電磁理論：麥克斯韋方程、電磁場(chǎng)的波動(dòng)性本節(jié)課的重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)和難點(diǎn)：光是電磁波的理論依據(jù)突破重點(diǎn)難點(diǎn)的方法：從大學(xué)物理中電磁波一章的內(nèi)容著手，分析光波與電磁波的異同，分析光波是否滿足電

4、磁波的成立條件，得出肯定結(jié)論后，也就意味著光波具有電磁波的一切性質(zhì)，再將電磁波的性質(zhì)與光波的屬性具體而微的結(jié)合起來(lái)。本節(jié)課的教學(xué)方法和手段：采用引導(dǎo)式、啟發(fā)式和講授式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)員積極的思考，將學(xué)過(guò)的內(nèi)容融會(huì)貫通，。授課時(shí)教學(xué)手段主要采用板書(shū)方式，使解題思維呈現(xiàn)邏輯性和整體性，同時(shí)輔助于多媒體，立體直觀表達(dá)艱澀內(nèi)容。緒論一、光學(xué)的研究?jī)?nèi)容和方法光學(xué)的研究?jī)?nèi)容十分廣泛，它包括光的發(fā)射、傳播和接收等規(guī)律，以及光和其它物質(zhì)的相互作用（如光的吸收、散射和色散，光的機(jī)械作用和光的熱、電、化學(xué)和生理效應(yīng)等）。光學(xué)既是物理學(xué)中最古老的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域中最活躍的前沿陣地之一，具有強(qiáng)大的生命力

5、和不可估量的發(fā)展前途。從方法論上看，作為物理學(xué)的一個(gè)重要學(xué)科分支，光學(xué)研究的發(fā)展也完全符合如下的認(rèn)識(shí)規(guī)律：在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析、抽象和綜合，進(jìn)而提出假說(shuō)，形成理論，并不斷反復(fù)經(jīng)受實(shí)踐的檢驗(yàn)。生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)是推動(dòng)光學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，為光學(xué)發(fā)展提供了豐富的源泉。二、光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史光學(xué)的發(fā)展大致可劃分為下列五個(gè)時(shí)期：萌芽時(shí)期幾何光學(xué)時(shí)期波動(dòng)光學(xué)時(shí)期量子光學(xué)時(shí)期現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期2.1萌芽時(shí)期（1）公元前115世紀(jì)，中國(guó)已用鑒（金屬平面鏡），陰遂（金屬凸面鏡）作飾物，會(huì)用陽(yáng)遂（金屬凹面鏡）取火，能夠使用圭表（原始光學(xué)儀器）定時(shí)定向，懂得利用火燭、荊 等作為人造光源照明。（2）公元前48

6、0380年，墨翟及其弟子著墨經(jīng)，其中下經(jīng)第1623條以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)記載光的影子（半影與本影）直線傳播、針孔成像，光的反射、平面鏡、凹面鏡與凸面鏡成像五個(gè)部分的幾何光學(xué)知識(shí)，是世界上有關(guān)幾何光學(xué)的最早記錄，在科學(xué)史上占有重要地位。墨經(jīng)光學(xué)不足的地方在于書(shū)中缺乏定量分析，因此由墨經(jīng)八條得不出反射定律來(lái)，也沒(méi)有觸及到折射現(xiàn)象。（3）公元前330275年，古希臘學(xué)者歐幾里德著反射光學(xué)被西方學(xué)者認(rèn)為是世界上最古老的光學(xué)書(shū)籍，總結(jié)光的反射定律并主張光的投射學(xué)說(shuō)，認(rèn)為眼睛自身可以發(fā)出某種須狀的東西，這些觸須散落至物體上，與物體形成一個(gè)相切的錐角就造成了視覺(jué)。歐幾里德所著光學(xué)書(shū)與墨經(jīng)相比約晚百年，墨經(jīng)中的論述都

7、是從觀察得來(lái)的事實(shí)，毫無(wú)臆測(cè)之語(yǔ)，而歐幾里德所著光學(xué)有很強(qiáng)的唯心主義包含在內(nèi)。其他古希臘的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家們也分別寫(xiě)下了不少光學(xué)著作，提出許多杰出的哲學(xué)思想。（4）公元50200年，克萊門(mén)德（Cleomedes，公元50年）和托勒密（C.Ptolemy，公元90-168年）研究了光的折射現(xiàn)象，最先測(cè)定了光通過(guò)兩種介質(zhì)分界面時(shí)的入射角和折射角。（5）公元11800年，古希臘的光學(xué)知識(shí)遺產(chǎn)首先在阿拉伯人的手中保存下來(lái)，爾后又傳入歐洲大陸。生于公元10世紀(jì)中葉的阿拉伯學(xué)者阿勒哈森（9651038）及其著作光學(xué)全書(shū)堪稱(chēng)中古時(shí)代的光學(xué)基礎(chǔ)。阿勒哈森對(duì)幾何光學(xué)和人眼有深入研究，他完善了反射定律，在前人“反射

8、角等于入射角”的基礎(chǔ)上又加上“兩個(gè)角都在同一平面內(nèi)”的法則，完善了反射定律，論證過(guò)各種球面鏡及拋物柱面鏡的特殊光路，研究球面像差及透鏡放大率，提出了著名的“阿勒哈森問(wèn)題”，他還第一個(gè)比較詳細(xì)地描述了人眼結(jié)構(gòu)，堅(jiān)持視覺(jué)來(lái)自于被見(jiàn)物體發(fā)光的觀點(diǎn)。阿勒哈森對(duì)西方近代科學(xué)的發(fā)展起到重要影響。13世紀(jì)杰出的英國(guó)僧人羅吉爾培根受阿拉伯人著作的啟發(fā)而進(jìn)行一系列光學(xué)實(shí)驗(yàn)的。培根描述過(guò)焦點(diǎn)的位置，研究過(guò)球面像差，提出可利用透鏡矯正人的視力，以及采用組合透鏡構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡的光輝思想。此后意大利人阿波蒂發(fā)明了眼鏡；波爾塔在書(shū)中首先討論凸凹透鏡的組合問(wèn)題。到了16世紀(jì)末，眼鏡與眼鏡制造業(yè)已成為歐洲大陸上一種十分興旺的手工

9、工業(yè)了。2.2幾何光時(shí)期17世紀(jì)是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的開(kāi)端，也是幾何光學(xué)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在此期間，人們確立了正確的光的反射與折射定律，擴(kuò)大人類(lèi)眼界的光學(xué)儀器也相繼出現(xiàn)，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。望遠(yuǎn)鏡：荷蘭李普塞（H.Lippershey，1587-1619年）在1608年發(fā)明了第一架望遠(yuǎn)鏡。十世紀(jì)初延森（Z.Janssen，1588-1632）和馮特納（P.Fontana，1580-1656年）最早制作了復(fù)合顯微鏡。早期的望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡不過(guò)是一種令人好奇的玩具，真正將它們有效地用于科學(xué)，還應(yīng)該歸功于伽利略（15641642）。1610年伽利略首次使用自制望遠(yuǎn)鏡觀察星空，他的重大天文發(fā)現(xiàn)全部詳細(xì)記載在星界信

10、使這本有名的著作之中。歷史上伽利略首次明確提出光速有限的觀點(diǎn)，并試圖測(cè)定光束，給后人以很大啟發(fā)。發(fā)現(xiàn)了繞木星運(yùn)行的衛(wèi)星，這給哥白尼關(guān)于地球繞日運(yùn)轉(zhuǎn)的日心說(shuō)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒（15711630）是近代光學(xué)的奠基人，他的主要貢獻(xiàn)是提出光度學(xué)基本定律，論述光的折射，透鏡性質(zhì)和視覺(jué)理論等方面的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)出最早由雙凸透鏡組合的天文學(xué)望遠(yuǎn)鏡。開(kāi)普勒奠定近代實(shí)驗(yàn)光學(xué)基礎(chǔ)，被稱(chēng)為幾何光學(xué)理論的奠基人。斯涅耳最先寫(xiě)出了折射定律的確切表達(dá)形式，這個(gè)定律于1637年被笛卡爾公布于世。接著，費(fèi)馬發(fā)展了大約公元前1世紀(jì)亞歷山大里亞的希隆用類(lèi)似光程最短原則論證的反射定理，提出著名的最小時(shí)間原理，并根

11、據(jù)這個(gè)原理推出光的反射定律和折射定律。開(kāi)普勒與費(fèi)馬的研究工作使幾何光學(xué)達(dá)到理論成熟的高度，至此它的基礎(chǔ)才算是完全奠定。2.3波動(dòng)光學(xué)時(shí)期(1)光學(xué)現(xiàn)象：意大利人格里馬第（F.M.Grimaldi,1618-1663年）首先觀察到光的衍射現(xiàn)象，1672-1675年間胡克（R.Hooke，1635-1703年）也觀察到衍射現(xiàn)象，并且和波義耳（R.Boyle，1627-1691年）獨(dú)立地研究了薄膜所產(chǎn)生的彩色干涉條紋，所有這些都是光的波動(dòng)理論的萌芽。(2)波動(dòng)學(xué)說(shuō)和粒子學(xué)說(shuō)：十七世紀(jì)下半葉，牛頓（I.Newton，1642-1727年）和惠更斯（C.Huygens，1629-1695年）等把光的研究

12、引向進(jìn)一步發(fā)展的道路。牛頓認(rèn)為，光是從光源發(fā)出的微粒流，光粒子按照慣性定律沿直線傳播，其運(yùn)動(dòng)遵守力學(xué)定律。光在界面上的反射就象小球射到平面上反彈回來(lái)一樣，遵守反射角等于入射角的規(guī)律。光的折射是由于光粒子從第一種介質(zhì)進(jìn)入第二種介質(zhì)時(shí)介質(zhì)對(duì)光粒子的吸引力有所改變，從而光粒子的速度改變而引起光的折射，最后推出結(jié)論：光粒子流在光密介質(zhì)中比在光疏介質(zhì)中傳播速度大。這一結(jié)論顯然是錯(cuò)誤的，但由于當(dāng)時(shí)牛頓在科學(xué)界的崇高地位和威望，微粒學(xué)說(shuō)得到普遍認(rèn)可，持續(xù)近兩個(gè)世紀(jì)的時(shí)間?；莞箘t根據(jù)光現(xiàn)象與聲現(xiàn)象的相似性，認(rèn)為光是在一種特殊彈性介質(zhì)（以太）中傳播的機(jī)械波（此時(shí)還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到電磁波），是縱波。他還提出了確定光的

13、傳播方向的著名原理：光振動(dòng)某一時(shí)刻所到達(dá)的波前上的每一點(diǎn)都可以看作是次波的波源，從這些波源發(fā)出的次波的包面即形成另一時(shí)刻新的波前，新波前的法線方向就是光的傳播方向。根據(jù)這種理論也能解釋光的反射、折射現(xiàn)象，并得出光在較密介質(zhì)中的傳播速度較小。但這種理論也是不完善的。后來(lái)科學(xué)家證明：以太這種假想的彈性介質(zhì)是不存在的，光不是機(jī)械波，不是縱波。但這一理論提出了光的波動(dòng)概念。)(3)波動(dòng)學(xué)說(shuō)的發(fā)展：到了十九世紀(jì)，楊（T.Young，1773-1829年）和菲涅耳（A.J.Fresnel，1788-1827年）的著作在初步發(fā)展起來(lái)的波動(dòng)光學(xué)體系起著決定性的作用。1801年托馬斯.楊用雙縫實(shí)驗(yàn)演示了光的干涉

14、現(xiàn)象，并用波動(dòng)理論解釋了光的干涉現(xiàn)象白光照射下薄膜顏色的由來(lái)，并第一次成功地測(cè)定了光的波長(zhǎng)。1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯一菲涅耳原理，說(shuō)明了光的衍射現(xiàn)象。1808年馬呂斯（E.L.Malus，1775-1812年）偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象。為了解釋這些現(xiàn)象，楊氏在1817年提出了光波和弦中傳播的波相仿的假設(shè)，認(rèn)為它是一種橫波。菲涅耳進(jìn)一步完善了這一觀點(diǎn)并導(dǎo)出了菲涅耳公式。至此，波動(dòng)學(xué)說(shuō)得到普遍認(rèn)可。但這時(shí)仍認(rèn)為光波是機(jī)械波，必須在一種臆想的彈性介質(zhì)（以太）中傳播。(4)波動(dòng)學(xué)說(shuō)確立：1845年法拉第（M.Faraday，1791-1

15、867年）發(fā)現(xiàn)了光的的振動(dòng)面在強(qiáng)磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)，提示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。1856年韋伯（W.E.Weber,1804-1891年）和柯?tīng)杽谒梗≧.Koh-Lrausch，1809-1858年）在萊比錫做的電學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度，即3108米/秒。麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831-1879年）在1865年的理論研究中指出，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的改變不會(huì)局限在空間的某部分，而是以光速傳播，這說(shuō)明光是一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在1888年被赫茲（H.R.Hertz，1857-1894年）的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，他直接從頻率和波長(zhǎng)來(lái)測(cè)定電磁波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)它

16、恰好等于光速，至此，就確立了光的電磁理論基礎(chǔ)。根據(jù)光的電磁理論可以圓滿地解釋光的傳播過(guò)程中的一系列現(xiàn)象（如光的干涉、衍射、偏振等），特別是由實(shí)驗(yàn)證明“以太”這種介質(zhì)根本不存在以后，電磁理論成為光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)的可靠的物理基礎(chǔ)，得到了普遍承認(rèn)。2.4量子光學(xué)時(shí)期十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象，例如熾熱黑體輻射中能量按波長(zhǎng)分布的,特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)。1900年普朗克（1858-1947年）提出了輻射的量子論，認(rèn)為各種頻率的電磁波只能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常數(shù)乘的整數(shù)倍，成功地解釋了黑體輻射問(wèn)題。1905年愛(ài)因斯坦（1879-1955

17、年）發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過(guò)程中，提出了杰出的光量子（光子）理論，圓滿解釋了光電效應(yīng)，并為后來(lái)的許多實(shí)驗(yàn)例如康普頓效應(yīng)所證實(shí)。1924年德布羅意（L.V.de Broglie，1892- ）創(chuàng)立了物質(zhì)波學(xué)說(shuō)。他大膽地設(shè)想每一物質(zhì)的粒子都和一定的波相聯(lián)系，這一假設(shè)在1927年為戴維孫（C.J.Davisson，1881-1958）和革末（L.H.Germer，1896-1971年）的電子束衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)問(wèn)題。量子論不但給光學(xué)，也給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，所以通常把

18、它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。1905年，愛(ài)因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。1905年9月，德國(guó)物理學(xué)年鑒發(fā)表了愛(ài)因斯坦的“關(guān)于運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”一文。第一次提出了狹義相對(duì)論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時(shí)代以來(lái)占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的過(guò)程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象。這樣，在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及

19、光的化學(xué)作用等無(wú)可懷疑地證明了光的量子性微粒性。光學(xué)的發(fā)展歷史表明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個(gè)最重要的基礎(chǔ)理論量子力學(xué)和狹義相對(duì)論都是在關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。此后，光學(xué)開(kāi)始進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦于1916年預(yù)言過(guò)的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術(shù)。愛(ài)因斯坦研究輻射時(shí)指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強(qiáng)的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺(tái)可見(jiàn)光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)

20、體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，引起了科學(xué)技術(shù)的重大變化。2.5現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期從本世紀(jì)六十年代起，特別在激光問(wèn)世以后，由于光學(xué)與許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合、相互滲透，一度沉寂的光學(xué)又煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度飛速度飛速發(fā)展，它已成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)一塊重要的前沿陣地，同時(shí)又派生了許多嶄新的分支學(xué)科。光學(xué)的另一個(gè)重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；1935年澤爾尼克提出

21、位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，人們開(kāi)始把數(shù)學(xué)、電子技術(shù)和通信理論與光學(xué)結(jié)合起來(lái)，給光學(xué)引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運(yùn)算等概念，更新了經(jīng)典成像光學(xué)，形成了所謂“博里葉光學(xué)”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進(jìn)了的全息術(shù)，形成了一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域光學(xué)信息處理。光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術(shù)。在現(xiàn)代光學(xué)本身，由強(qiáng)激光產(chǎn)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象正為越來(lái)越多的人

22、們所注意。激光光譜學(xué)，包括激光喇曼光譜學(xué)、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖，以及可調(diào)諧激光技術(shù)的出現(xiàn)，已使傳統(tǒng)的光譜學(xué)發(fā)生了很大的變化，成為深入研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的重要手段。它為凝聚態(tài)物理學(xué)、分子生物學(xué)和化學(xué)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究提供了前所未有的技術(shù)。光學(xué)纖維已發(fā)展成為一種新型的光學(xué)元件，為光學(xué)窺視（傳光傳象）和光通訊的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件，它已成為某些新型光學(xué)系統(tǒng)和某些特殊激光器的組成部分。預(yù)期光計(jì)算機(jī)將成為新一代的計(jì)算機(jī)，想象中的光計(jì)算機(jī)，由于采取了光信息存儲(chǔ)，并充分吸收了光并行處理的特點(diǎn)，它的運(yùn)算速度將會(huì)成千倍地增加，信息存儲(chǔ)能力可望獲得極大的提高，甚至可能代替人腦的部分功能?？傊?，

23、現(xiàn)代光學(xué)與其他科學(xué)和技術(shù)的結(jié)合，已在人們的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著日益重大的作用和影響，正在成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的越來(lái)越強(qiáng)有力的武器。三、物理光學(xué)的研究?jī)?nèi)容從前面的光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史中已經(jīng)知道，光具有波粒二象性，物理光學(xué)研究?jī)?nèi)容包括波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)兩部分。波動(dòng)光學(xué)從光的波動(dòng)性出發(fā)來(lái)研究光在傳播過(guò)程中所發(fā)生的現(xiàn)象，它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳插時(shí)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。是我們這本書(shū)研究的主要內(nèi)容。量子光學(xué)研究光的量子性，主要內(nèi)容安排在激光課程中講述，本書(shū)不作重復(fù)介紹。必須指出的是，距今為止我們對(duì)光本質(zhì)的這種波粒二象性的認(rèn)識(shí)只具有相對(duì)真理性，對(duì)

24、光的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)沒(méi)有完結(jié)。第一章 光的電磁理論第一節(jié) 麥克斯韋方程組光的電磁理論是波動(dòng)光學(xué)的物理基礎(chǔ)，可以由一組方程來(lái)描述，因?yàn)樵摲匠探M首先由麥克斯韋總結(jié)得出，因此稱(chēng)為麥克斯韋方程組。一、麥克斯韋方程組的積分形式不穩(wěn)定磁場(chǎng)的普遍規(guī)律可由下列四個(gè)方程表示：（總電荷）（高斯定理，電場(chǎng)是有源場(chǎng)） （磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)，無(wú)磁核） （法拉第電磁感應(yīng)定律：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)） （安培環(huán)路定律推廣：變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)）：電感強(qiáng)度；：電場(chǎng)強(qiáng)度；：磁感強(qiáng)度；：磁場(chǎng)強(qiáng)度；：積分閉合曲面內(nèi)包含的總電量；：積分閉合回路包圍的傳導(dǎo)電流； ：位移電流。注：位移電流ID和傳導(dǎo)電流I是兩個(gè)不同的物理概念，傳導(dǎo)電流意味著電荷的流動(dòng)，而位移

25、電流意味著電場(chǎng)的變化，第四式表明不僅傳導(dǎo)電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且電場(chǎng)變化也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，即兩者在產(chǎn)生磁場(chǎng)方面是等效的。在實(shí)際應(yīng)用中，積分形式的麥克斯韋方程組不適用于求解電磁場(chǎng)中某一給定點(diǎn)的場(chǎng)量這類(lèi)問(wèn)題，通常使用方程組的微分形式。二、麥克斯韋方程組的微分形式 根據(jù)高斯定理： 根據(jù)斯托克斯定理：其中： 電荷密度；傳導(dǎo)電流密度；位移電流密度。麥?zhǔn)戏匠探M的微分形式是： （2）麥?zhǔn)戏匠探M在含有導(dǎo)體的任何媒質(zhì)中都成立，其中電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度是基本物理量，電感強(qiáng)度和磁感強(qiáng)度是輔助物理量，在常用的各向同性的均勻電介質(zhì)中，結(jié)合物質(zhì)方程： ，就構(gòu)成一組完整的反映電磁場(chǎng)普遍規(guī)律的方程組。其中，：介電常數(shù)，真空中：磁導(dǎo)率，

26、真空中，非磁性介質(zhì)：電導(dǎo)率三、麥克斯韋方程組的物理意義隨時(shí)間變化的電場(chǎng)激發(fā)渦旋磁場(chǎng), 隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋電場(chǎng)，交變的電磁場(chǎng)互相激發(fā)，以一定速度向空間傳播，形成電磁波。第二節(jié) 電磁場(chǎng)的波動(dòng)性麥克斯韋方程組是電磁場(chǎng)規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，可以從麥克斯韋方程組出發(fā)討論電磁波在空間傳播的規(guī)律，證明電磁場(chǎng)的傳播具有波動(dòng)性。為使討論簡(jiǎn)單，在如下情況討論：a.在無(wú)限大均勻介質(zhì)中，此時(shí)為常數(shù)，為常數(shù)。b.在遠(yuǎn)離輻射源區(qū)域，不存在自由電荷和傳導(dǎo)電流,即。將物質(zhì)方程代入，則麥?zhǔn)戏匠探M簡(jiǎn)化為： （3）一、波動(dòng)方程電場(chǎng)的傳播規(guī)律：同時(shí)：故有電場(chǎng)的傳播規(guī)律：同理,可得磁場(chǎng)的傳播規(guī)律：令 則電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足 ： （4）結(jié)論：該方程是波動(dòng)方程的典型形式，說(shuō)明電磁場(chǎng)（電磁波）是以波動(dòng)形式在空間傳播的，傳播速度為，此結(jié)論后來(lái)由赫茲實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。波動(dòng)方程組（4）的解為各種形式的波，具體情況由邊界條件和初始條件確定。二、電磁波在真真空中的傳播速度理論值：其中：真空中介電常數(shù) 真空中磁導(dǎo)率 實(shí)驗(yàn)測(cè)得真空光速值 結(jié)論：二者非常接近，