光学第一章总结.doc

第一章 光和光的传播1光和光学一、光的本性光是一种波长极短、频率极高的电磁波，具有波粒二象性: 光在传播过程中，表现出波动性； 光在与物质相互作用过程中表现出光的粒子性（量子性）。二、 光源与光谱（1）热（辐射）光源 热能转变为辐射的光源。 任何温度下，任何固体或液体中原子、分子热运动能量改变时辐射出各种波长的电磁波（光波）。光波为连续谱。如太阳，白炽灯等。由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度，所以称为热辐射。注意：1.物体由大量原子组成，热运动引起原子碰撞使原子激发而辐射电磁波。原子的动能越大，通过碰撞引起原子激发的能量就越高，从而辐射电磁波的波长就越短。 2.任何物体在任何温度下都有热辐射，波长自远红外区连续延伸到紫外区（连续谱）。（2）非热光源A 气体放电光源 B 金属蒸气电弧光源C 固态发光体 红宝石 蓝宝石 YAG 激光器D 同步辐射光源：高强度，宽波谱，高准直性，脉冲性，偏振性三、热光源与非热光源的区别（1）本质上 在热光源中是原子、分子的热运动能量转化为光辐射；而非热光源是电子跃迁产生辐射。（2）光谱上 热光源为连续谱；而非热光源是各原子独立发光，为分立的线光谱。（3）温度上 热光源辐射的光谱与物质无关，强度与物质的表面温度有关；而非热光源与温度无关。四、光强A.能流：单位时间内垂直通过某一面积 S 的能量.B.平均能流：能流也是周期性变化的，其在一个周期内的平均值称为平均能流。 能流(功率)单位：瓦特WC.能流密度 ( 光的强度 ) 单位时间，垂直通过单位面积的平均能量。注意:在波动光学中常把振幅的平方所表征的光照度叫光强度。五、 光谱光谱：非单色光的光强按波长的分布 i .有连续光谱，线状光谱，带状光谱谱线宽度 ：单位波长区间的光强，又称为谱密度。六、光是电磁波的一部分（1）长波段表现出显著的波动性。检测方法是利用电磁振荡耦合，得到输入信号的振幅和相位。 （2）短波段表现出极强的粒子性。检测方法是利用它与其他物质的相互作用，得到粒子流的强度，而无需相位关系。七、光子与电子之间的相似性相似性：（1）光子与电子都是具有能量和动量的粒子 。都可以与其他物质相互作用而交换其动量和能量。 P = mv = h/，E = h （2）光子与电子都可以进行衍射、偏折、成象。不同点：（1）光子静质量为零，呈电中性；（2）电子具有质量，带负电荷2光的几何光学传播规律一. 光源和光线1. 光源：任何发光物体：太阳、烛焰、钨丝白炽灯、日 光灯、高压水银荧光灯等点光源可看成几何上的点，只有空间位置无体积的光源2. 光线和光束光线光能传播方向的几何线光束有一定几何关系的一些光线的集合二.几何光学的基本定律1. 光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线传播2. 光的独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不 干扰，即每一束光的传播方向及其他性质(频率、波 长、偏振状态)都不因另一束光线的存在而发生改变3. 光的折射反射定律：(1) 光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即(2) 光的折射定律：折射线位于入射面内,折射线与入射线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一与入射角无关的常数，即三.折射率1、相关公式：注意：折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光疏介质。2、平行光束折射后截面积的变化：3、色散：一种介质对不同波长的光具有不同的折射率。（现象：一束白光经界面折射，就被分为不同颜色的光束。）四.光的可逆性由于折射定律的对称性,可得出光线传播的可逆性表明：当光线沿与原来方向相反的方向传播时，其路径不变。注意：在不考虑介质吸收引起损耗时，波动现象就是一个可逆过程。五. 临界角当光从光密( n)射到光疏(n )介质时,一般情况下,折射角大于入射角,当入射角为某一ic 时,折射角为90度,折射线沿界面传播。六 光导纤维利用全反射原理，可制成光学元件光纤（1）内层芯料的折射率n1=1.8左右，外涂层 n2=1.4左右，其界面上全反射的临界角（2）入射光的最大孔径角 （3）数值孔径（镜口率），简写为N.A定义：媒质的折射率n与物镜孔径角的一半的正弦值的乘积。 八. 棱镜与色散（1）由最小偏向角测材料的折射率 偏向角：出射线与入射线间的交角最小偏向角：折射率：3惠 更 斯 原 理1. 惠更斯原理（1）惠更斯原理给出的方法（惠更斯作图法）是一种处理波传播方向的普遍方法。 （2）惠更斯原理的表述介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波（球面波）的波源。而在其后的任意时刻，这些子波的包络就是新的波前.2.波的衍射：波在传播过程中遇到障碍物时，能绕过障碍物的边缘，在障碍物的阴影区内继续传播.注意：若障碍物宽度d , 衍射现象不明显(直线传播)；d, 衍射现象比较明显.2. 波的反射和折射4费 马 原 理费马原理是一个描述光线传播行为的原理一.光程在均匀介质中,光程l 为光在介质中通过的几何路程 l 与该介质的折射率 n 的乘积：1. 直接用真空中的光速来计算光在不同介质中通过一定几何路程所需要的时间。2. 光程表示光在介质中通过真实路程所需时间内,在真空中所能传播的路程。（1）分区均匀介质:(2) 连续介质:二.费马原理的表述及讨论（1）空间中两点间的实际光线路径是所经历光程的平稳路径（2）在A、B两点间光线传播的实际路径，与任何其他可能路径相比其光程为极值，极值为极大或极小或恒定值。即0四.梯度折射率介质中光线的弯曲即为折射率随不同位置呈连续变化的介质5光度学的基本概念1. 光源与光辐射(1) 光源（发光的客体） 光源的种类：按获得方式：天然光源、人造光源按光谱成份：单色光源、复色光源、白光光源按相干性：相干光源、非相干光源按几何线度：点光源、扩展光源（线光源、面光源）(2) 光辐射（发光过程）光辐射分类：热辐射（温度辐射）：具有一定温度的物体所产生的一种自发辐射非热辐射：场致发光、荧光、磷光、化学发光、生物发光等发光过程说明：热辐射具有普遍性，但实际发光过程可能是多种发光过程(3) 光波场的光谱范围光辐射的波长范围：亚纳米级的X射线微米级的远红外辐射，其中X射线：亚纳米纳米可见光：400 760纳米紫外线：近（200400纳米）、远（5 200纳米）红外线：近（0.76 1微米）、中（1 10微米）、远（10微米） (4) 光辐射的光谱类型 A单色光：只有单一波长成分的光B非单色光：具有多种波长成分的光 复色光：由几种单色光成分构成的非单色光 白 光：由各种可见光波长成分构成的非单色光说明：热辐射光谱连续光谱 原子光谱或气体放电光谱线状光谱 2. 辐射能通量与光通量（1）辐射能通量（辐射功率）单位： W（瓦特）或J/s（焦耳每秒）（2）辐射能通量谱密度 (l)单位： W/m（瓦特每米）或J/(sm)（焦耳每秒米）各种波长的总辐射能通量 = =（）(3)视见函数V(l)A、视觉灵敏度：人眼对不同波长光辐射的感觉灵敏度。意义：在引起相同大小视觉强度的条件下，若所需某一波长单色光辐射能通量越少，则表明眼睛对该色光的视觉灵敏度越高。结论：使不同色光能够引起眼睛具有相同视觉强度所需的辐射能通量反比于眼睛对该色光的视觉灵敏度。B、视见函数：对应人眼视觉灵敏度最高的色光波长。 、：波长为、的色光引起眼睛具有相同视觉强度所需要的辐射能通量。适光性视见函数：适暗性（微光）视见函数：(4) 光通量 (主观视觉强度)A、单位： lm（流明） B、公式：最大光功当量KM：波长为555nm的单色辐射能通量所能引起的光通量。 KM=683 lm/W（实验测定值）C、发光效率：对于一般电光源，每瓦电功率所能产生的光通量数（lm/W）5. 发光强度与光亮度(1) 点光源的发光强度I A、单位：坎德拉（cd），也可以表示为：lm/sr（球面度），且有1cd=1lm/sr。B、公式： C、整个空间辐射的总光通量：若I与方向无关，即I=常数，则 若I与方向有关，即I=I(q, f)，则 (2) 面光源的光亮度B A、单位：lm/(m2sr)（流明每平方米球面度），或lm/(cm2sr)（流明每平方厘米球面度）即sb（熙提）B、公式：(3) 余弦发射体（朗伯光源或朗伯发射体） ：发光强度I正比于发光面元的方向余弦cosq，从而其亮度B与方向无关的扩展光源。(4) 定向发射体 （光亮度具有一定的方向性的光源）6. 光照度A、单位： lx（勒克斯）、 ph（辐透）。 其中：1lx=1lm/m2，1ph=1lm/cm2B、公式：(1) 点光源产生的光照度 ：(2) 面光源产生的光照度：7. 色度与三基（原）色（1）表征色光的基本参数：亮度，色调，（色）饱和度。色调：反映了颜