1-2几何光学三定律.ppt

几何光学的基本原理 光线 光能传播方向的几何线 是波动光学在波长趋于零时的一级近似 光束 有一定几何关系的一些光线的集合 一 光源和光线 1 光源 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 光源线度与其距离观测者的距离相比可忽略 2 光线和光束 2 1光的几何光学传播规律 几何光学 GeometricOptics 在光学研究中 当 0时 衍射角 D忽略不计 可用几何方法讨论成像规律 使问题大大简化 3 光波波面 波面 在任意时刻 振动位相值相同的各点所构成的曲面 光振动 用电磁波中电场强度的变化表示 波面对应的法线就是光束 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 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 3 光的折射和反射定律 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与入射角无关 是一个取决于两介质光学性质和光的波长的常数 即 漫射 当界面粗糙时 各入射点处法线不平行 即使入射光是平行的 反射光和折射光也向各方向分散开 漫反射或漫折射 斯涅耳定律 三 折射率 光在真空中的传播速度为c 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 按照波动光学理论 有 在线性介质的光场中 光的扰动频率仅由光源决定 与传播的介质无关 同一谱线的光波在不同介质中虽然有不同速度 但其频率是不会改变的 均同于真空中的光频 即 n 1 介质中的波长变短了 介质中的光频是否等于真空中的光频 例1 求折射光线延长线与x轴交点S 的位置 x 与入射角i的关系 解 由折射定律 x y o y M 将 2 3 带入 1 解出x 1 4 可见当x不变时 x 随y或i而变 即由给定位置的发光点发出的光束 由于其中不同光线在分界面上具有不同的入射角i或高度y 所以相应的折射光线延长线跟光束的光轴ox的交点S 均不重合 讨论 5 这时x 与入射角无关 即折射光线延长线近似交于一点s 即为教材中P8的例1 1 当 即光线接近法线的方向入射 则 2 当 即由介质射入空气时 4 5 式分别为 当光从光密 射到光疏 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 折射线沿界面传播 2 2 全反射 若入射角再增大 就不再有折射线了 此时光线将全部返回光密介质 全反射 全反射临界角 2 利用全反射 可制成新型光学元件 光纤 OpticsFiber 利用高折射率材料制成芯线 外包一层低折射率的皮 nc ng 由于光线的全反射 光线在芯内是锯齿形折线的径迹 1 可制成全反射棱镜 改变光束的方向 当入射角 决定临界角 则产生全反射 即当或时光线才能产生全反射 计算如下 即 单根光纤只能传光而不能传图像 将众多光纤集束为光缆便可传图像 称为光纤的数值孔径 由材料的折射率决定 表明了光学纤维能传送怎样的光束 凡是入射角的光线都将通过接连不断的全反射从一端传到另一端 入射角大于的光线将透过内壁进入外层 不能继续传送 光导纤维应用广泛 截面直径可小到5 10 m 2 3棱镜与色散 棱镜 抛光平面包围着透明介质 功能 1 偏向2 色散 一 折射棱镜 三角棱镜 最简单的棱镜 研究光在主截面内折射的情况 三棱镜的偏向角 两工作面间的夹角为棱镜的顶角 垂直于折射棱的平面 主截面 1 光在棱镜主截面内的偏向角 又 故 三棱镜的偏向角随第一入射角变化 当第一入射角变化时三棱镜有一最小偏向角 代入入射点的折射定律 可以证明 即 得三棱镜材料的折射率为 顶角很小时 光楔 当复色光入射到棱镜时 由于不同波长的成分 棱镜折射率不同 具有不同的偏向角 棱镜色散 得到棱镜分光光谱 2 色散 dispersion 一种介质对不同波长的光具有不同的折射率 一束白光经界面折射 就被分为不同颜色的光束 用途 棱镜光谱仪 大气中的虹霓是阳光经大量水滴的折射和反射而产生的色散现象 现象 正常色散 n随 的减小而增大