CH1光传播全解.ppt

光学,OPTICS,绪论,光学研究范围,光学光现象的科学：光学是物理学的组成部分。它研究的对象是光。研究的内容包括光的本性，光的发射、传播、接收，以及光和物质的相互作用等。,麦克斯韦电磁理论认为，光是一种电磁波,各种色视觉对应的波长和频率范围：,电磁波谱与可见光范围,从量子观点看，光场是由一个个光子组成。光子是光的最小单位，每个光子的能量和它的频率之间的关系为式中是普朗克常数，其数值为光子也具有动量，它的方向为光子的运动方向（即光传播方向），其值为式中c为真空中的光速，1983年第十七届国际计量大会通过其值为c=299792458m/s,光既有波动性也有粒子性，即具有波粒二象性。普朗克常数非常小，一个光子的能量也非常小。一般情况下我们遇到极大数量的光子，明显表现波动性。在光极其弱的情况下，以及光和物质相互作用的某些特殊情况下，其量子特性才会明显地表现出来。,基于所采用的物理模型不同,光学可分为几何光学和物理光学（波动光学，量子光学）波动光学是主体,光学发展历史回顾,1.3000年前及更早，埃及、中国使用铜镜;公元前4世纪,在中国和希腊已有关于光学现象的记录:墨翟(公元前468-376)所著中关于几何光学的八条记载约100年后，欧几里得(Euclid,约前330-275年)宣布反射定律阿拉伯科学家伊本海赛木光学：进一步说明了反射定律（入射光线与反射光线在同一平面内,球面镜、抛物面镜的性质、人眼结构）沈括（公元10311095）：直线传播、球面镜成像深入研究,2.17世纪几何光学基础已奠定：如费马的最小时间原理，斯涅耳的实验发现折射定律，笛卡尔将此表为正弦形式物理光学的实验研究始于17世纪：格里马耳迪(16181663)首次详细描述衍射现象胡克和玻意耳各自独立发现牛顿环，即在白光下薄膜的彩色干涉图样,胡克主张光由振动组成1690年，惠更斯(C.Huygens)在论光中阐发了光的波动学说并提出著名的惠更斯原理,3.1704年牛顿出版光学：棱镜分光(白光为复合光)，牛顿环的生成及色序，牛顿认为光的本性是微粒，并提出光的“侧边”概念，对偏振光的天才猜想。4.19世纪波动学说达到尽善尽美境界1801-1803杨氏双缝实验干涉条纹菲涅耳：惠更斯-菲涅耳原理成功解释了衍射现象1850年傅科用旋转镜法测定光速，说明光在水中的速度比在空气中小(这是波动光学预言的结果)麦克斯韦和谐优美的方程组及电磁波理论,5.19世纪到20世纪：深入研究光与物质相互作用出现的经典理论与黑体辐射能谱间的矛盾开尔文称为“笼罩在物理学上空的两朵乌云”之一。普朗克1900年提出量子假说1905年爱因斯坦提出光子学说,成功解释光电效应光子的概念1924年德布罗意提出物质波(每一粒子的运动都与一定的波长相联系),由电子通过金属箔的衍射实验证实20年代中期,薛定谔、海森伯、狄拉克和玻恩等人建立了量子力学波动性和粒子性在新的形式下得到统一,光学与光通信傅立叶光学空间滤波、图像识别光学信息处理全息学、干涉计量、特征识别、高密度储存、三维显示,1935年泽尼克提出了相衬原理；1948年伽柏发明全息术；50年代通讯理论和光学的结合，产生了傅里叶光学光学信息处理的理论和技术奠定了基础。,90年代迅速发展的分数傅里叶光学是傅里叶光学的发展和延拓，为光学信息处理开辟了更广的领域。,光学现代进展简介,激光：高强度、高相干性全息术得益于激光器的问世通讯、测距、加工、医疗光谱学、激光制导、激光武器、激光热核聚变、非线性光学介质中的非线性叠加如倍频、混频、自聚焦等。,1960年第一台红宝石激光器的发明是光学发展的一个新里程碑。它是20世纪继原子能、半导体、计算机之后的又一重大发明。计算机延伸了人的大脑，而激光延伸了人的感官，成为探索大自然奥秘的“超级探针”。,大量分支和交叉学科的涌现是20世纪现代光学发展的重要标志。,薄膜光学、纤维光学（导波光学）、集成光学、激光光谱学、二元光学、瞬态光学、量子光学、原子光学、激光物理、激光化学、激光生物学等等。,光和光的传播,1几何光学基本定律,1.1几何光学三定律1.2全反射1.3棱镜与色散1.4光的可逆性原理,1.1几何光学三定律,1、光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播2、光的反射定律和折射定律sini1/sini2=n12(常数)斯涅耳定律n12：第二种媒质相对第一种媒质的折射率,（W，snell,1621）,几何光学是以三个实验定律为基础建立的。它是各种光学仪器设计的理论根据。,光反射定律和折射定律：（1）反射线与折射线都在入射面内（2）反射角等于入射角（3）折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的常数,绝对折射率：任何媒质相对于真空的折射率称为该媒质的绝对折射率。相对折射率：第二种媒质相对第一种媒质的折射率n12=n2/n1因为n12=n2/n1,因此对斯涅耳定律还可写成如下形式：n1sini1=n2sini2光密媒质：折射率较大的媒质称光密媒质光疏媒质：折射率较小的媒质称光疏媒质,在点光源的照射下，在不透明的物体背后出现清晰的影子，影子的形状与以光源为中心发出的直线所构成的几何投影形状一致,1.物体的影子,如果在一暗箱前壁上开一小孔，由物体上各点发出的光线将沿直线通过小孔，在暗箱后壁上形成一倒立的像。,2.小孔成像,如果光在非均匀媒质中传播时：光线将因折射而弯曲，这种现象经常发生在大气中，例如在海边有时会看到海市蜃楼昙花一现的自然景观。其原因是光线在密度不均匀的大气中折射引起的。,3.海市蜃楼,4.各向异性的晶体中产生的双折射现象,几何光学三定律适用条件：任何一个实验规律都有它的适用范围：是空间障碍物以及反射和折射界面的尺寸远大于光的波长时才成立。（几何光学是波动光学在波长-0时的极限情形）,【例题1】用作图法求任意入射线在球面上的折射线。两种媒质1,2,折射率分别为n和n。且nn2)时，由折射定律知i1ic时，折射线消失，光线全部反射，这种现象称全反射。ic称全反射临界角ic=sin-1(n2/n1)从水到空气ic49o各种玻璃到空气ic30042o,光全反射应用的例子：,（1）全反射棱镜光学仪器中常利用各种全反射棱镜来改变光线方向。缩短仪器尺寸。或者将倒置的画面再正过来。,直角棱镜,波罗（porro）棱镜,（2）光学纤维（简称光纤）,折射率突变的光纤,折射率渐变的光纤,1.3棱镜与色散,棱镜是由透明媒质（如玻璃）做成的棱柱体。棱镜有三棱镜，五棱镜，角锥棱镜等。截面呈三角形的棱镜叫三棱镜。与棱边垂直的平面叫做棱镜的主截面。,下面我们讨论光线在三棱镜主截面内折射的情况。,偏向角与i1,i2,i2,i1以及棱角之间的几何关系：,=(i1-i2)+(i1-i2)=(i1+i1)-(i2+i2)=i1+i1-(1),=i2+i2(2)nsini2=sini1(3)nsini2=sini1(4),上式表明：对于给定的棱角，偏向角随i1而变。由实验得知：在随i1改变中，对于某一i1值，偏向角有最小值m，m称最小偏向角。,可以证明,产生最小偏向角的充要条件：,则在三棱镜的最小偏向角和顶角已知时可求出棱镜材料的折射率n,棱镜主要用途：(1)全反射棱镜(2)测定三棱镜的最小偏向角和求出棱镜材料的折射率n(3)棱镜还是一种色散元件，主要应用于与分光。即利用棱镜对不同的波长的光有不同的折射率性质来分析光谱。,色散：n与有关，这一现象叫做色散。通常棱镜的折射率n是随波长的减小而增加的，这种色散通常称正常色散，有经验公式n=A+B/2+C/4A+B/2(变化范围不大时)白光：具有和太阳连续光谱相似的多色混合光。,棱镜光谱仪便是利用棱镜的这种分光作用制成的，它是研究光谱的重要仪器。,1.4光的可逆性原理,从几何光学的基本定律不难看出，如果光线逆着反射线方向入射，则这时的反射线将逆着原来的入射线方向传播，如果光线逆着折射线方向由媒质2入射，则射入媒质1的折射线也将逆着原来的入射线方向传播，也就是说，当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播。这个带有普遍性的结论称为光的可逆性原理。,2惠更斯原理,2.1波的几何描述2.2惠更斯原理的表述2.3对反射和折射定律的解释2.4直线传播问题,2.1波的几何描述,举例：由点振源Q发出的波，在各向同性的均匀媒质中的波面为以振源Q为圆心的球面。,波面为球面的波称为球面波。在离振源很远的地方，波面趋于一个平面，这种波称为平面波。,球面波的波线,平面波的波线,波线设想在同一波场中给出一线族，它们每一点切线方向代表该点波扰动传播方向或能量流动方向，这样的线族称为波线。在各向同性媒质中，波线总是和波面正交的。,2.2惠更斯原理的表述,惠更斯认为：这些次波面的包络面S是t时刻总扰动的波面。,某一时刻t，由振源发出的波，扰动传播到了波面S。惠更斯提出：S上的每个面元都可以认为是次波波源，由面元发出的次波向四面八方传播，在以后t时刻形成的次波面，在各向同性均匀媒质中是以vt为半径的球面，这里v为波速，t=t-t,2.3对反射与折射定律的解释,当光线1到达A1同时光线2到达A2光线3到达A3光线n到达An,光线2还要经时间才能到达B2光线3还要经时间才能到达B3光线n还要经时间才能到达Bn,每条光线到达分界面上时，都同时发射两个次波。反射次波和折射次波反射次波向媒质1内发射反射次波当光线n到达Bn点时，A1点发出的反射次波波面和透射次波波面分别是以V1tnV2tn半径的半球面。B2点发出的反射次波波面和透射次波波面分别是以V1（tn-t2），V2（tn-t2）为半径的半球面。,按惠更斯原理：这一时刻总扰动的波面是这些次波面的包络面反射次波和透射次波总扰动的波面是这些次波的波面的包络面，且包络面是通过Bn点的平面。设反射波总扰动的波面与各次波面相切于C1C2C3Cn透射波总扰动的波面与各次波面相切于D1D2D3Dn连接次波源与切点，即得总扰动的波线即反射光线A1C1B2C2透射光线（折射光线）A1D1B2D2,A1C1=AnBnA1Bn公共边RTA1C1BnRTA1AnBnAnA1Bn=A1BnC1又AnA1Bn=i1,A1BnC1=i1i1=i1,下面证明反射定律,在A1AnBn,A1BnD1中,（折射定律导出）,(常数),在折射定律中由此可见，一种媒质的绝对折射率为v为该种媒质中的光速，n的物理意义光在两种媒质中传播速度之比。从看出，光在光密媒质中传播速度小，这个结论与实验相符。,2.4用惠更斯原理解释直进性,由惠更斯原理知，波面AB上每个面元都是一个次波中心，t时刻AB部分每一点发出的次波面是以vt为半径的球面，这些次波面的包络面为CD，可见CD也是以Q为中心的球面的一部分。按惠更斯的说法，只有各次波面的包络面CD上发生可察觉的总扰动，即包络面两侧C和D之外的扰动是可以忽略不计的。所以QAC和QBD就是透过孔隙的边缘线，它们都是直线。惠更斯就这样说明了波的直进性。以上解释并不令人十分满意，因为CD两侧之外还有次波存在着，为什么次波在这些地方不发生作用呢？,当孔较大时，如图（a）波面是以一点为圆心的球面，波沿直线传播当孔较小时，如图（b）波的传播开始偏离直线当孔十分小时，如图（c）在障板后面看来，好象波从小孔那里重新发出似的，这时完全谈不上直进性。,水波的衍射：,惠更斯原理不能完满的解释波的直进性和衍射现象的矛盾，其原因是此原理未能定量地给出次波面上和包络面以外波扰动强度的分布。随着科学的进展，这个问题直到一百多年以后才得到解决。原来波的直进性只有当波长远小于孔隙线度a时才近似成立，因此，我们说几何光学是短波的极限情形。,3费马原理,3.1光程3.2费马原理的表述3.3由费马原理推导几何光学三定律,3.1光程,1)光程L的定义光在均匀媒质中传播的几何路程l与该种媒质的折射率n相乘积。,费马用光程的概念把几何光学三定律归结为一个统一的原理中。这个原理就是费马原理。,（1）光在折射率为n的均匀媒质中由Q传播到P，则光程L等于n乘l。,3.2费马原理的表述,3.3费马原理解释几何光学定