几何光学一.ppt

1、 任课教师：郑植仁任课教师：郑植仁 学好光学课的重要意义学好光学课的重要意义n当今科研前沿的热门学科当今科研前沿的热门学科n光学学科是我校的国家重点学科和博士点光学学科是我校的国家重点学科和博士点n光学课程是重多光学方面课程的基础启蒙课程光学课程是重多光学方面课程的基础启蒙课程 如：光学，激光原理与技术，量子光学，信息如：光学，激光原理与技术，量子光学，信息学光纤光学，集成光学，光谱学，光子开关术学光纤光学，集成光学，光谱学，光子开关术全息光存储技术，光纤通信技术原理，非性光全息光存储技术，光纤通信技术原理，非性光学晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等学晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等

2、 光学课的特点光学课的特点 内容新：中学学得不多，光学发展很快，新内容新：中学学得不多，光学发展很快，新 内容不断涌现内容不断涌现 分支多：几何光学，干涉，衍射，偏振，光与分支多：几何光学，干涉，衍射，偏振，光与 物质的相互作用物质的相互作用公式多：大约有近公式多：大约有近200200个公式个公式课程编排特点课程编排特点：重点是物理光学部分重点是物理光学部分 (干涉，衍射，偏振干涉，衍射，偏振)如何学好光学课程如何学好光学课程 n课前预习课前预习n按时听课按时听课n及时复习及时复习n独立完成作业独立完成作业n要主动答疑要主动答疑 课程安排课程安排 n讲授课讲授课n习题课习题课n观看实验演示观看

3、实验演示 一、光学发展的概况一、光学发展的概况 人类感官接收到外部世界的总信人类感官接收到外部世界的总信息量中至少有息量中至少有9090以上通过眼睛以上通过眼睛 光学是一门古老的学科，又是一光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年青学科门新兴的年青学科 激光器诞生后，光学开始了迅猛激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科发展，成为科研前沿极为活跃的学科 五五 个个 时时 期期一、萌芽时期一、萌芽时期 公元前公元前500500年年公元公元15001500年年 经历大约经历大约20002000年年 面镜、眼镜和幻灯等光学元件面镜、眼镜和幻灯等光学元件 已相继出现已相继出现二、几何

4、光学时期二、几何光学时期 1500180015001800，大约，大约300300年年1 1、建立了光的反射定律和折射定律，、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础奠定了几何光学的基础2 2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器3 3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位4 4、对折射定律的解释是、对折射定律的解释是错误错误的的上式与折射定律上式与折射定律 比较，有比较，有亦即：光在光密媒质中的速度较大亦即：光在光密媒质中的速度较大21vvnn111222vv sinvv sinttii1221sin/sinv/vii 1

5、221/sin/sinnnii2121v/v/nn1vt1vn1v1i2i2v2vn2vt21nn三、波动光学时期三、波动光学时期 1800190018001900，近，近100100年年1 1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象2 2、惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的、惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象衍射现象3 3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象4 4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波5 5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小、傅科的实验证实光在水中传播的速度小于在空气中的传

6、播速度于在空气中的传播速度6 6、波动光学的理论体系已经形成，光的波、波动光学的理论体系已经形成，光的波动说战胜了光的微粒说动说战胜了光的微粒说四、量子光学时期四、量子光学时期 1900195019001950，近，近5050年年1 1、19001900年普朗克提出了量子假说，成功地解释了年普朗克提出了量子假说，成功地解释了 黑体辐射问题黑体辐射问题2 2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了 光电效应问题光电效应问题3 3、光的某些行为象经典的、光的某些行为象经典的“波动波动”4 4、另一些行为却象经典的、另一些行为却象经典的“粒子粒子”5 5、光是一种

7、几率波，又具有可分割性，光具有、光是一种几率波，又具有可分割性，光具有 “波粒二象性波粒二象性”五、现代光学时期五、现代光学时期 从从19501950年至今年至今 1 1、全息术、光学传递函数和激光的问世、全息术、光学传递函数和激光的问世 是经典光学向现代光学过渡的标志是经典光学向现代光学过渡的标志2 2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度、光学焕发了青春，以空前的规模和速度 飞速发展飞速发展 1 1）智能光学仪器）智能光学仪器 2 2）全息术）全息术 3 3）光纤通信）光纤通信 4 4）光计算机）光计算机 5 5）激光光谱学的实验方法）激光光谱学的实验方法 二、二、光光 强强 7600400

8、01 1）可见光的波长范围：可见光的波长范围：其中：其中：频率：频率：真空中的光速：真空中的光速：对应的频率范围：对应的频率范围：cm8101/csmc/1038Hz14109.35.72 2）光强：）光强：通过单位面积的平均光功率，通过单位面积的平均光功率，或者说，光的平均能流密度或者说，光的平均能流密度3 3）光强表达式：光强表达式：，分别是相对介电常数和相对磁率分别是相对介电常数和相对磁率 分别是真空介电常数和真空磁率分别是真空介电常数和真空磁率 HESHEHE00200EHES,00在光频波段在光频波段 故故100/1v00/1cvcn/20200EcnnES 真空中电磁波的运动方程：

9、可得：在不同媒质中有：在相同介质中有：0cos()EEt2222001cos()(1cos(2()2EEtEt2220000011cos()TtnnISE dtEt dtTcTc2200000(1 cos(2()22TnnIEtdtEcTc2022201121EnEnII20nEI 4 4）相对光强：）相对光强：注意：注意：光强是一个平均值光强是一个平均值20EI 2000EcnEcnSI5 5）光强定义为一个平均值的原因）光强定义为一个平均值的原因响应时间：能够被感知或被记录所需的最短时间响应时间：能够被感知或被记录所需的最短时间人眼的响应时间：人眼的响应时间：最好的仪器的响应时间大约：最好

10、的仪器的响应时间大约：光波的振动周期：光波的振动周期：人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度有实际意义的是光波的平均能流有实际意义的是光波的平均能流 st1.0s910sT1510Tt三、光三、光 谱谱1 1）单色光：）单色光：仅有单一波长的光叫单色光仅有单一波长的光叫单色光2 2）谱密度：）谱密度：3 3）光谱：）光谱：谱密度随波长变化的分布曲线谱密度随波长变化的分布曲线 4 4）连续光谱：）连续光谱：光谱随波长的变化分布连续叫做光谱随波长的变化分布连续叫做 连续光谱连续光谱 ddIddIi)(00)(didII5 5）线光谱：）线光谱：光谱集中在一些分

11、立的波长区光谱集中在一些分立的波长区间的间的 线状谱线，就叫线光谱。线状谱线，就叫线光谱。谱线宽度：每条线光谱在其半强度值处的波长间隔谱线宽度：每条线光谱在其半强度值处的波长间隔 称为谱线宽度。越小表示光波的单色性越好称为谱线宽度。越小表示光波的单色性越好 连续光谱连续光谱 线光谱线光谱 ddIddI123 1 1 几何光学基本定律几何光学基本定律1.1 1.1 几何光学三定律几何光学三定律1.2 1.2 全反射定律全反射定律 1.3 1.3 棱镜与色散棱镜与色散1.4 1.4 光的可逆性原理光的可逆性原理 1.1 1.1 几何光学三定律几何光学三定律（1 1）光的直线传播定律：）光的直线传播

12、定律：光在均匀媒质里光在均匀媒质里沿直线传播。沿直线传播。（2 2）光的反射和折射定律：）光的反射和折射定律：反射线与折射反射线与折射线都在入射面内线都在入射面内注意注意：1 1）称为媒质的绝对折射率称为媒质的绝对折射率 2 2）折射率较大的媒质称为光密媒质，）折射率较大的媒质称为光密媒质，折射率较小的媒质称为光疏媒质折射率较小的媒质称为光疏媒质 3 3）适用条件：反射和折射面积远大）适用条件：反射和折射面积远大 于光波长时上述定律才成立于光波长时上述定律才成立 11ii 2211sinsininin21nn；1.2 1.2 全反射定律全反射定律 全反射临界角：全反射临界角：1.3 1.3 棱

13、镜与色散棱镜与色散（1 1）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体称为棱镜称为棱镜（2 2）三棱镜：截面呈三角形的棱镜叫）三棱镜：截面呈三角形的棱镜叫三棱镜三棱镜（3 3）主截面：与棱边垂直的平面叫做）主截面：与棱边垂直的平面叫做棱镜的主截面棱镜的主截面（4 4）偏向角）偏向角)/(sin121nnic2i折射率折射率 )()()()(22112121iiiiiiii22ii 求其最小值：求其最小值：m01did0212did令令 ，且有，且有 BC G2i1i1inD EFA 最小偏向角的推导最小偏向角的推导11ii,11ii 22ii 可以得到：当可以得到：当 时时m此时有：此时有：21mi2/2i带入折射定律：带入折射定律：1221/sin/sinnnii2sin2sin12mnn有：有：时，时，nnn211，2sin2sinmn光的可逆性原理光的可逆性原理:当光线的方向反转时，它将逆着同一当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播，称为光的可逆性原理。路径传播，称为光的可逆性原理。