物理光学基础知识（课堂PPT）

1,十五章光学基础知识,关键：熟练掌握光程差以及相位差,2,2,15.1光学的发展历程和学科分支,（一）光学的发展历史牛顿光的光的微粒流理论惠更斯光的波动理论麦克斯韦光的电磁理论20世纪初光的波粒二象性,2020/5/19,3,（二）光学的学科分支,几何光学：以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的折射、反射和传播规律，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限波动光学：以光的波动性为基础，研究光的干涉、光的衍射、光的偏振等波动性质，也称为波动光学其基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组量子光学：以光的量子性为基础，深入到微观世界，研究光和物质的相互作用规律其基础主要是量子力学和量子电动力学波动光学和量子光学也统称为物理光学现代光学：随着光的量子性的发现和激光的发明，而产生的新兴领域包括非线性光学、信息光学、纤维光学、统计光学、付里叶光学、激光光学等等,2020/5/19,4,15.2光源光的基本性质,（一）光源定义：产生光波的波源称为光源发光机制普通光源：自发辐射激光：受激辐射,2020/5/19,5,（二）光的特性波前与光线,光是电磁波，有波的特性，但同时光又具有粒子特性波前：光波从光源传出去，离光源愈來愈远，它的最前缘就为波前.波前是波在任一时刻相位相同的点连成的轨迹光线：人们常以垂直于波前、且指向光传播方向的直线称为光线,2020/5/19,6,（三）惠更斯原理,在光波传播时，某一时刻波前上的每一点都可以看作产生球面次级子波的波源，经过一段时间的新波前就是这些次级子波的包络面.如图为球面波传播与平面波传播.,2020/5/19,7,（四）光波的描述主要参数,光是电磁波，在空间传播的是相互垂直的电场强度E矢量（电矢量）和磁场强度H矢量.引起视觉作用和感光作用的主要是电矢量E，因而把E矢量称为光矢量，把E振动称为光振动.,2020/5/19,8,（四）光波的描述主要参数,光波场的表示：讨论最简单的平面简谐光波。它在空间传播形成光波场的运动学描述为为S波源出所发出波的圆频率。与光频率n关系0为初相位。波长和频率，周期T之间满足,2020/5/19,9,（四）光波的描述主要参数,光速：u为光波在介质中传播的速度r为介质的相对介电常数；r为相对磁导率介质中的光速为,2020/5/19,10,（四）光波的描述主要参数,折射率：n为折射率，等于光在真空中的速度c与媒质中的相速u之比折射率与介质的电磁性质密切相关，根据光的电磁理论，可知所以可得,2020/5/19,11,（四）光波的描述主要参数,光强：把能流密度S矢量应用于平面简谐光波实际上测量到的是S在测量时间间隔内的平均值，称它为平均能流密度或光强I因为远大于周期T，所以可以用一个周期内的平均值来求I,2020/5/19,12,15.3光的传播,（一）光程和相位差光程：如图所示，光在折射率为的介质中从波源S传到P点传播的距离（路程）r折算成在真空中传播的长度，称为光程相位落后的量：=2r/=2rn/0,2020/5/19,13,相位差,若两波源发出相同的频率（1=2），相同初相位（1020）的两列波，到达P点处两个光程之差（n2r2-n1r1）叫做光程差，表示为，由光程差带来的相位差为：,2020/5/19,14,（二）费马原理,费马原理：光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。后人推广为：光在介质中传播的实际路径是使所需时间为极值(极小值、极大值或稳定值)的路径。,2020/5/19,15,（三）光的反射、半波损失、光的折射,光的反射：反射定律：反射光线在入射面内，反射角等于入射角。入射光线与界面在入时点的法线所构成的平面称为入射面。分别为入射光线和反射光线与法线所夹的角即入射角和反射角。,2020/5/19,16,（三）光的反射、半波损失、光的折射,光的折射：当光从一种介质入射到另一种介质表面时，不仅会发生反射，还可能进入第二种介质，传播方向会改变（称为折射），入射光线和折射光线与界面法线间的夹角称入射角和折射角，折射时满足折射定律。,2020/5/19,17,（三）光的反射、半波损失、光的折射,折射定律：折射光线在入射面内；入射角和折射角的正弦之比为一常量，即称为第二介质对第一介质的相对折射率，它也等于光在两介质中的相速之比，即对界面两侧的介质，折射率较大的称光密介质，折射率较小的称为光疏介质。折射定律也可写成如下形式,2020/5/19,18,（三）光的反射、半波损失、光的折射,半波损失：定义：在介质分界面处，反射光和入射光的振动方向相反，也就是说反射光与入射光相比，其振动相位发生了的突变，相当于反射光在反射时增加（或减少）了半个波长的光程，称为半波损失。,2020/5/19,19,（三）光的反射、半波损失、光的折射,半波损失：当光从折射率大的光密介质，正入射（入射角I0）于折射率小的光疏介质时，反射光没有半波损失。,2020/5/19,20,（三）光的反射、半波损失、光的折射,当光从折射率小的光疏介质，正入射（入射角i0）或掠入射（入射角I90o）于折射率大的光密介质时，则反射光有半波损失。,2020/5/19,21,（四）全反射光纤,全反射：定义：当光从一个折射率大的光密介质介质n1入射到折射率小的光疏介质n2时，比如从水到空气。当光线以临界角c入射时，即入射角ic时，此时只有反射光，无折射光，称为全反射。临界角大小为,2020/5/19,22,（四）全反射光纤,全反射实验效果,2020/5/19,23,（四）全反射光纤,光纤：制造原理：全反射光纤是在一根折射率较高的玻璃纤维外包一层折射率较低的玻璃媒质的光学纤维，光线经多次全反射可沿着它从一端传到另一端，而且用大量这样的玻璃纤维并成一束，光在各条纤维之间不会串通。如果纤维束的两端各条纤维的排列顺序严格的对应，则可以利用它来传像。,2020/5/19,24,15.4平面镜与球面镜,（一）球面镜平面镜是曲率为无穷大的球面镜。球面镜通常由抛光的金属或玻璃制成，表面还可能镀上金属或介质膜。成像公式：傍轴条件下，射球面成象的普遍物象距公式为,2020/5/19,25,（二）透镜及成像公式,透镜是用透明材料制成的一面或两面为球面的光学元件.分成会聚透镜和发散透镜，前者有实焦点，后者有虚焦点。物体通过透镜成象，当物像方折射率相等时，薄透镜成象公式为成像公式的牛顿形式,2020/5/19,26,（三)成像的等光程性,几何光学中证明了：在近轴（傍轴）条件下，薄透镜的使用仅改变光波的传播路径，而对各光线不造成附加的光程差。,2020/5/19,27,（四）像差,透镜在傍轴条件下，实际成象中会产生偏离理想成象的现象。单色像差（1）球面像差（2）慧行像差（3）像散（4）像场弯曲（5）畸变色像差：由于折射率随颜色（波长）不同而引起的，不同颜色的光所成的像，无论位置和大小都可能不同。,2020/5/19,28,15.5光的探测,（一）光探测器光电倍增管(70年前发明，现依然广泛应用)光电导探测器光电二极管互补性氧化金属半导体电荷耦合器件,2020/5/19,29,光电倍增管:PMT,(a)Schematicrepresentationofaphotomultipliertubeanditselectrodegeometry.(b)Voltagedividertosupplytheproperpotentialtothecathodeandthedynodes.,2020/5/19,KEK,BELLEDetector,30,BELLEandTOFdetector,MademuchcontributiontotheconstructionofallTOFmodulesforBELLE(64modules,keyroleforK/identifingandabilityofseperation),TOFworksverywellwithatimeresolutionof100pstomeetitsrequirementdesigned!,http:/belle.kek.jp/belle/transparency/photo_tof.html,2020/5/19,31,（二）热探测器热探测器：（1）辐射热测量计（2）热电偶（3）热电堆,15.5光的探测,2020/5/19,32,15.6光的吸收、散射与色散,（一）光的吸收光的吸收（朗伯定律）：强度为I0的光经过一段长度为z的介质后，光强将减弱到式中a称为吸收系数，单位为m-1朗伯定律说明，当光在介质中传播距离z=1/a时，光强减弱到原来的1/e。,2020/5/19,33,（二）光的散射,瑞利散射瑞利散射：散射光频率和入射光相同，散射光的强度与波长的关系为：IS()f()/4适用条件：仅在散射微粒的线度比光的波长小的情况下成立,2020/5/19,34,（二）