光学知识简述(一)5.11.ppt

光学知识简述 一 前言光的本质第一章几何光学第二章物理光学第三章光电效应第四章激光 目录 3 前言光的本质 光学历史 墨经 成书于公元前4 3世纪 其中已有对于小孔成象 镜面反射的描述 其中已包含了光线及其沿直线传播思想 但没有对光的本质进行深入的思考 光学 前3 2世纪 欧几里得著 已指出光在平面上反射时 入射角等于反射角 其后研究了光的折射等成像规律 并制成各种光学元件 1672年 牛顿分光实验 白光中包含不同颜色的光 1678年 惠更斯提出波动说 1704年 牛顿提出微粒说 1905年 爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释 人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质 4 概念 振动在空间的传播形成了波 在水面波中 发生振动着的是水分子的位移矢量 波动 wave 是一种传递振动 传递能量但不传送质量的运动形式 前言光的本质 电磁波1 0 1电磁波 5 波的分类根据传递方式分为 机械波 也称力学波 mechanicalwave 电磁波 electromagnetic EM wave 根据波动的特性分为 横波 TransverseWave 纵波 LongitudinalWave 前言光的本质 电磁波2 6 横波 TransverseWave 纵波 LongitudinalWave 前言光的本质 电磁波3 7 定义 长期以来的科学理论和实验证实 光是一种频率极高的电磁波 以可见光为例 其频率在赫兹 Hz 前言光的本质 光波1 0 2光波 8 光波的数学表示 前言光的本质 光波2 右手定则 9 波段可见光的组成 前言光的本质 光波3 10 前言光的本质 光学的分类 1 几何光学 2 波动光学 3 量子光学 4 现代光学 11 第一章几何光学 成立条件1 1 1成立条件 1 被研究对象 如狭缝 小孔 透镜口径 挡光屏等 的几何尺寸D远大于入射光波波长 D 1衍射现象不明显 定律适用 D 1衍射现象明显 定律不适用 12 第一章几何光学 成立条件2 1 1成立条件 2 入射光强不太强在强光作用下可能会出现新的光学现象 注意 几何光学的基本实验定律有一定的近似性 局限性 13 第一章几何光学 光线的表示1 1 2光线的表示 13 光线 光能量的传播方向的几何线 理想模型 不是细光束 均匀各向同性介质 直线 非均匀介质 曲线 这一章是研究光在均匀介质中的传播和成像问题 14 第一章几何光学 光线的表示2 光束与波面 典型有 平行光束 同心光束 会聚或发散 和象散光束 子午焦线 弧矢焦线 15 第一章几何光学 基本定理1 直线传播定理 光在均匀介质中沿直线路经行进 忽略衍射现象 1 3基本定理 16 第一章几何光学 基本定理2 光在非均匀介质中的传播 17 第一章几何光学 基本定理3 光的独立传播定律 以不同的途径传播的光同时在空间某点通过时 彼此互不影响 各路光好像其他光线不存在似地独立传播 而在各路光相遇处 其光强度是简单地相加 总是增强的 忽略干涉现象 注意 光不能太强 18 第一章几何光学 基本定理4 反射与折射定律反射定理 光线在两种介质的分界面上发生反射 反射角等于入射角 斯涅耳公式 折射定理 光线在两种介质的分界面上发生折射 折射角与入射角满足关系 19 第一章几何光学 基本定理5 光的反射与折射 20 第一章几何光学 基本定理6 绝对折射率 一种介质相对于真空的折射率 其中 折射率不仅与介质有关 还与光的频率有关 称为绝对折射率 简称折射率 根据折射率大小 介质可分为光密介质和光疏介质 20 21 第一章几何光学 基本定理7 几种介质的折射率 22 第一章几何光学 基本定理8 全反射定理 当光线从光密介质入射到光疏介质中 当入射角大于一定值 光线全部返回光密介质中 返回光线遵循反射定理 入射角称临界角 23 第一章几何光学 基本定理9 全反射的应用 全反射棱镜光学纤维 24 第一章几何光学 基本定理10 光路可逆定理 光线传播的可逆性 令CO为入射光线 则OA为反射光线 反射定律 令BO为入射光线 则OA为折射光线 折射定律 由此说明光的传播是可逆的 即光路的可逆性 3 25 第一章几何光学 基本定理11 费马定理 光程 介质折射率n和光线在介质内传播的距离l的乘积 l nl 光程的概念可理解为 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距离 光在不同的介质中 相同的时间内传播的几何路程不同 但光程相同 26 第一章几何光学 基本定理12 费马定理 光从空间的一点到另一点 是延光程极值的路径传播的 或者说 光线延光程的极大 极小或常量路径传播 费马原理的表