光学新概念第一章

第一章光和光的传播,2光的几何光学传播规律,3光的波动光学传播基础惠更斯原理,4费马原理,5光度学基本概念,1光和光的传播,1光和光的传播,1、萌芽时期(公元前5世纪公元15世纪末)人眼发出的触须样；物体发出的争论,2、几何光学时期(AC16AC18世纪)微粒说；波动说；微粒说占上风因为牛顿太伟大了,3、波动光学时期(AC1920世纪初)1865，麦克斯韦方程：电磁波波速为C光也是电磁波1888，赫兹实验：弹性媒质以太中的横波成就：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思想，对光的本性认识前进了一大步。遗留问题：以太的问题；光波到底是什么波？,第一章光和光的传播,一、光的本性(绪论),4、量子光学时间（19001960）,光的粒子性黑体辐射、光电效应、康普顿效应等光的波动性大量的干涉、衍射、偏振现象德布罗意物质波每一物质粒子都与一定波相联系戴维孙革未电子衍射实验1927年光的波粒二象性E=h；P=h/玻恩1925年，波粒二象性的几率解释概率波,5、现代光学时期(20世纪60年代开始),关于光的本性至今答案没有令人满意的答案,1、热辐射,2、光的非热发射,温度辐射在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射,电致发光电场补给能量日光灯,荧光电磁波或电子束作用下电子显象管,磷光受电磁波或电子束作用后的持续发光夜光表指针,化学发光化学反应“鬼火”,生物发光特殊类型的化学反应萤火虫,一些基本概念,二、光源与光谱,光速常数,单色光谱线宽度：,可见光:波长范围,可见光：390760nm；频率范围：,连续光谱,线光谱,复色光谱密度,典型谱线,光强度,坡印亭矢量：电磁波的能流密度、平面电磁波是横波,平面电磁波是横波,坡印亭矢量的大小,关系式,光强度波动观点电磁波的平均能流密度S,所以，通常只写：,对同一介质,1、几何光学线直线传播、反射、折射、成像应用光学2、波动光学波干涉、衍射、偏振、光速介质波3、量子光学粒子黑体辐射、光电效应、康普顿效应光子德布罗意波概率波波粒二象性4、现代光学光子学激光、光纤通信、非线性光学集成光学、信息光学、超快速光学光子计算机并行、宽带、高速、准确梦,三、光学的研究对象、分支与应用,(绪论课已经详细讨论),2光的几何光学传播规律,1、直线传播定律：各向同性均匀介质,物体的影子,针孔成像,一、几何光学三定律,2、反射定律,与n无关；无色散。即不同，同一入射角，则，反射角i相同,则，对称：光路可逆,漫反射现象之解释,(1)文字表述（略）,(2)数学表式,(3)讨论：,光的反射与折射,(3)讨论,光疏媒质与光密媒质之相对性,全反射:条件,3、折射定律,(2)数学表式,(1)文字表述（略）；,色散现象,光纤通信原理全反射,(4)应用：改变光路方向：航天器、精密光学仪器等,光的折射,1、全反射,当入射角达到某一值（临界角）时，不再有折射光而全部被反射全反射，其临界角的大小为,利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。,光纤通信就是利用全反射原理,全反射,二、全反射光学纤维（光导纤维）,2、光导纤维光学纤维,原理：全反射,结构：纤芯的折射率大于包层的照射率,光导纤维的原理,利用全反射棱镜改变光路,3、利用全反射改变光路,光在渐变折射率介质中传播,4、光在渐变折射率介质中传播海市蜃楼,光在渐变折射率介质中传播,有几何关系，得,则,得,最后得,1、色散：折射角随波长而不同色散光谱,2、三棱镜：横截面是三角形棱镜,3、三棱镜的最小偏向角,三棱镜的折射,三、棱镜与色散,当,有,四边形AEOFA,4、最小偏向角的求法,在中,三棱镜的折射,在中,在中,为定值,则,极值条件,则,三棱镜的折射,最小偏向角,根据折射定律：,因此必须,由,得,得,由,带入得,三棱镜的折射,5、三棱镜折射率、顶角与最小偏向角的关系,此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行,6、棱镜作用,(2)色散重要的分光元件两类光谱仪之一,(1)改变光路科研、军事、生产、航天等,三棱镜的色散,四、光路的可逆性原理,光路的可逆性原理,3惠更斯原理,1、光线：光能量的传播方向的几何线,理想模型：不是细光束,2、波面：光波相位相等各点构成的面,波前：最前面的那个波面,均匀各向同性介质：直线,非均匀介质：曲线,3、单心（同心）光束物点为顶点的发散光束，其波面为球面,物点为顶点的发散光束,一、波的几何描述,波面与波线,二、惠更斯原理的表述,三、惠更斯原理对反射定律和折射定律的解释（烦琐：略去P16-17）,惠更斯原理,次波OR子波,用惠更斯原理解释光直进性,四、直线传播问题,大孔径障碍物光的传播方向,用惠更斯原理可以定性解释光的衍射,五、光的衍射问题,衍射问题,衍射问题,小孔径障碍物光的传播方向,水波的衍射开孔越小，衍射现象越明显,4费马原理,定义：光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积,光程,一、光程,1、文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。或：光沿着光程为极值的方向传播。,2、数学表述：,实际路径上，时间变分为零,极值,极大极小恒定,或,实际路径上，光程变分为零,费马原理,二、费马原理的表述,1、反射定律,由费马原理推导反射定律,三、由费马原理推导几何光学三定律,假设在入射面内有两条光线：QMP和QMP,显然，光程QMPQMP,即QMP最短！,由于镜像对称，有光程QMPQMP,（1）定性证明反射定律,设光源,面上,接收器,面上,XOZ面上,入射点,面上，即分界面是XOY面,（2）定量证明反射定律,光源,接收器,入射点,应用费马原理证明反射定律,总光程,由,得,即,由,得,而,光源,接收器,入射点,即,则,应用费马原理证明反射定律,2、折射定律,由费马原理推导折射定律,两条物像光线QMP；QMP,显然，光程QMQMPMPM,即QMP最短！,设：QQ分界面；PP分界面,注意MMQP,（1）定性证明折射定律,由费马原理推导折射定律,物像光程：QMP为,得,（2）定量证明折射定律,5光度学基本概念,1、辐射通量（客观量）,定义：文字表述；单位：瓦（W）；符号=(),附近内：为辐射通量谱密度,一、辐射通量和光通量（主、客观量）,光源表面,光度学,辐射度量学,研究发光强弱的学科；,研究各种电磁辐射强弱的学科；,2、光谱的响应曲线（光电仪器）,客观辐射通量引起光电仪器（不同器件）响应灵敏度的物理量,不同光电器件的响应灵敏度,3、视见函数（客、主观量）,视见函数的表式,含义：客观辐射通量引起人眼主观视觉强度的物理量,/,视见函数曲线,/nm,辐射能量对波长的分布函数,视见函数曲线,大自然的造化！,/,1瓦特555nm的(客观)辐射通量相当于683流明的光通量(主、客观量),(1)定义：辐射通量与视见函数的乘积；单位：流明；符号:lm；,(2)数学表式,最大光谱光视效能(最大功光当量)Km的物理意义,/nm,辐射能量对波长的分布函数,(3)光谱光视效能功光当量,4、光通量(客、主观量),*(5)电光源（辐射体）发光效率遍计发光效率,*(4)光源的光通量表式,单色光,复色光,用I表示，单位是坎德拉（cd），简称“坎”,1、含义：光源在一定方向范围内发出光通量的空间分布（客、主观量）,2、量度方法：点光源在单位立体角中发出的光通量的数值,数学表式,I应当是可以测量,发光强度是SI制7个基本物理量之一,发光强度物理意义,二、发光强度与亮度,电灯发光强度的角分布,发光强度数学表式,立体角的计算方法,球坐标下立体角的求法,立体角的几何意义,点光源（沿某一i方向）的发光强度,球坐标下立体角的求法,1881年,“烛光”，国家电工技术委员会（用蜡烛发光）,1909年，“国际烛光”，英法美协议，白炽灯,1937年，国际计量委员会（CIPM），规定“新烛光”：1940.1.1执行,1948年，第九届国际计量大会。规定“坎德拉”为发光强度单位,我国1979年，建立铂凝固点黑体光度基准，0.3%,3、光度学基准的界定及其演变烛光发光强度,坎德拉是频率为的单色辐射源，在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为1/683瓦特/球面度。（W/sr）（主、客观量）,注：540.0154Hz的辐射在空气中波长为550nm，即黄绿光,4、发光强度坎德拉的最新定义,（1979年10月，第十届国际计量大会通过）,1（cd）坎德拉=1/683瓦特/球面度（W/sr）(555nm)=1流明/球面度（lm/sr）(555nm),1(W)瓦特(555nm)辐射通量相当于683流明的光通量,1、定义,发光面法线方向上单位面积之发光强度,亮度的单位：熙提（sb）即：流明每平方米球面度,亮度主客观量：发光表面的发光强度分布,亮度的含义,2、计算：r方向上的亮度,1、余弦发光体,朗伯定律,朗伯光源的含义,朗伯光源的物理意义:各个方向的亮度相同即：L与无关,三、余弦发光体和定向发光体,朗伯光源也就是余弦发光体,朗伯光源的亮度,球面朗伯光源的亮度,2、朗伯光源亮度的计算,按照亮度的定义,朗伯定律,球面朗伯光源dS，其法线方向亮度为,（1）球面朗伯光源的亮度,球面朗伯光源的亮度,得球面朗伯光源的亮度,结论球面朗伯光源的亮度与方向无关！,任意方向（比如，与赤道平面垂直方向）亮度为,按照朗伯定律,和,平面朗伯光源的亮度,（2）平面朗伯光源亮度的计算,法线方向亮度的计算,任意方向亮度的计算,按照朗伯定律,结论平面朗伯光源的亮度也与方向无关！,3、定向发光体,激光器的亮度,激光的准直度非常好,激光的亮度HeNe激光器激光亮度是太阳表面的1万倍！,单位：勒克斯（Lx），旧称辐透（ph）；,1、定义：入射在被照物单位面积上的光通量,2、计算1点光源的照度,客，主观量；物面照度，像面照度；光源出射度,四、照度,被点光源照射物的照度,计算2面光源的照度（P28）,被面光源照射物的照度,例题5的问题,大盘光源上dS对被照面元