光在平面界面上的反射和折射光学纤维VIP

3.4光在平面界面上的反射和折射光学纤维,一平面反射,1出射光束保持单心性,出射光束成像于一点，点物成点像不改变光束的单心性。有良好的成像作用。,2物象关系,二平面折射,1一般不能成完善像,当光从光密媒质入射到光疏媒质时，折射角大于入射角，光在这种情况下的反射,叫作内反射.,四光的全反射,内反射时，折射角随着入射角的增大而增大，当折射角等于900时，对应的入射角为ic.,当光从光疏媒质入射到光密媒质时，折射角小于入射角，光在这种情况下的反射,叫作外反射.,当入射角大于等于时，全部光能量都反回原介质这种反射叫作光的全反射,或叫作光的全内反射.,称作临界角.,由折射定律:,下页,上页,全内反射的应用举例:,（1）全反射棱镜,借助光在棱镜中的全反射，改变光进行的方向.这种棱镜被广泛应用在各种光学仪器中和各种实验光路中.由于全反射时光能量能完全返回原介质,所以它比镀铝或镀其他介质膜的反射镜更优越,后者的反射面上对光能量有一定的吸收.,下页,上页,组合波罗棱镜，望远镜正像系统,使像面旋转1800,下页,上页,后反射直角棱镜,光线进入棱镜,依次经三直角面反射后,出射光线与入射光线反向平行,后反射镜又称四面直角体,空间一定范围的光线,依次经三个相互垂直的平面反射后,出射光线的方向与入射光线的方向相反.这种棱镜在激光谐振腔中可以代替高反射介质镜;在激光测距中把它当作被测目标的反射器,不仅减少能量损失,而且减少了瞄准调整的困难;在高速公路上,这样的四面体常用来作“无源路灯”.,下页,上页,光进入光学纤维后,多次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.,（2）光学纤维,光学纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.,(a)原理,下页,上页,凡是入射角小于i0的入射光，都将通过多次全反射从一端传向另一端；入射角大于i0的光线，将透过内壁进入外层，不能继续传送,光学纤维的端面,称为光学纤维的数值孔经，它决定了可经光学纤维传递的光束的入射角.,下页,上页,B点：,A点：,即,即,所以,称为光学纤维的数值孔经，它决定了可经光学纤维传递的光束的入射角.,(b)光纤的应用,1)输送能量（传光束）,2)传送信息（传像束）,下页,上页,（c）光通信优点：,低损耗,窗玻璃几千分贝/公里,光学玻璃500分贝/公里,雨后清澄的大气1分贝/公里,石英光纤0.2分贝/公里,2)信带宽、容量大、速度快,3)电气绝缘性能好无感应无串话,4)重量轻线径细可绕性好,6)资源丰富价格低,5)耐火耐腐蚀可用在许多恶劣环境下,下页,上页,棱镜的色散,五棱镜,复色光照射棱镜，产生色散,主截面,偏向角：入射线和出射线的夹角，描叙光线经两次折射，传播方向总的变化,或,产生最小偏向角min的充要条件是：,所以,在棱角已知的条件下，通过最小偏向角min的测量，利用此公式可算出棱镜的折射率n,16,3.5光在球面上的反射和折射,一、符号法则二、球面反射对光束单心性的破坏三、近轴光线条件下球面反射的物像公式四、球面折射对光束单心性的破坏五、近轴光线条件下球面折射的物像公式六、高斯公式和牛顿公式,17,1、几个概念：单独一个球面不仅是一个简单的光学系统，而且是组成光学仪器的基本元件。1）顶点：球面的中心O2）曲率中心：球面的球心C3）曲率半径：球面的半径r4）光轴：连接顶点O和曲率中心C的直线5）主截面：包含光轴的平面光轴是唯一的，主截面有无穷多,3.5光在球面上的反射和折射3.5.1、符号法则,18,2、符号法则规定新笛卡儿符号法则：（1）线段：顶点右为正，左为负；轴上为正，下为负。（物、像均满足）,19,（2）光线方向的倾斜角度以主轴（或球法线）转向光线，顺为正，逆为负。（3）图中所标长度和角度均为正值。一般都假定光线自左向右进行。符号规定的意义：由求出量的正负可判断像的虚、实、倒、正等结果。Lphi?,21,3.5.2、球面反射对光束单心性的破坏,n,22,将l、l代入光程公式，并利用费马原理，对求导并令其等于0得：ss随而变，光束的单心性被破坏。,23,3.5.3、近轴光线条件下球面反射的物像公式,-高斯象点,一定时，,结论：当,r,24,适用条件：近轴光线凹、凸球面均可用，且无论s,s,f的数值大小及正负.,25,3.5.4、球面折射对光束单心性的破坏,-s,s,26,将l、l代入光程公式，并利用费马原理，对求导并令其等于0得：s随而变，光束的单心性被破坏。,27,3.5.5、近轴光线条件下球面折射的物像公式,1.近轴：很小，cos1，l-s，ls，2.光焦度公式：单位：m-1，称为屈光度，用D表示。,28,3.物象共轭物点与像点的位置可以互换物点与像点互为共轭点入射光线与折射光线互为共轭光线入射波面与折射波面互为共轭波面4.物空间和像空间物空间（物方）：入射光线所在的空间。像空间（像方）：折射光线所在的空间。注意：物不一定在物空间，像不一定在像空间物空间和像空间的点不仅一一对应，而且共轭（共轭光线、共轭波面、共轭点）,29,5.焦点和焦距像方：F，物方：F，关系：6.讨论：（“”表示F和F永远位于界面两方），球面反射（可看作是折射的特例）,30,3.物象共轭物点与像点的位置可以互换物点与像点互为共轭点入射光线与折射光线互为共轭光线入射波面与折射波面互为共轭波面4.物空间和像空间物空间（物方）：入射光线所在的空间。像空间（像方）：折射光线所在的空间。注意：物不一定在物空间，像不一定在像空间物空间和像空间的点不仅一一对应，而且共轭（共轭光线、共轭波面、共轭点）,31,5.焦点和焦距像方：F，物方：F，关系：6.讨论：（“”表示F和F永远位于界面两方），球面反射（可看作是折射的特例）,附录,“海市蜃楼”成因,光的折射产生了海市蜃楼。光线在穿过密度均匀的物质（介质）时，其传播方向和速度一般保持不变；当光线倾斜地穿过密度不同的两种介质时，在两种介质接触的地方，或者叫界面，不仅传播速度发生改变，而且行进的方向也发生偏折，这就是物理学中的光折射现象。当光线由密度较小的物质中射入密度较大的物质中，也就是说，从疏介质进入密介质时，要向垂直于界面的法线方向偏折，即折射角小于入射角。反之，折射角会大于入射角。这就是光的折射规律。,从图中我们可以看到，水下的筷子反射向我们眼睛的光线在通过水和空气的分界面的时候，发生偏折，水的密度大于空气，所以折射角大于入射角。因此我们逆着光的来向所看到的虚像就处于实物的上方了筷子折向水面。用鱼叉捕鱼的人将鱼叉刺向鱼的下方才能把鱼刺中也是这个,现在，我们再来看海市蜃楼的原理就清楚多了。它是光线在垂直方向密度不同的大气层中传播，经过多次折射造成的结果。根据幻景的方位不同常分为上现、下现和侧现蜃景。,凡是幻景看上去好象是由空中某一气层反射形成，称为上现蜃景。我们知道，热空气的密度要比冷空气的密度小，所以，如果近地面层是强逆温时（气温通常是随高度增加而降低的，如果随高度增加而增加，我们称之为逆温），空气密度会随高度迅速减小，光线在这种气温随高度升高而升高（空气密度随高度升高而锐减）的气层中传播，会向下屈折，远方地平线处的楼宇等的光线经折射进入观测者眼帘，观测者看到的虚像处于实物的上方，这就是上现蜃景。,上现蜃景常出现在海上，和北方有冰雪覆盖的地方。这是因为海水表面蒸发时要消耗热量，同时海水温度的升高缓慢；而在冰雪覆盖的地区，由于冰雪面能将大部分太阳光反射掉，同时冰雪融化时也要消耗大量热量。这样，这些地方下层的温度就变得很低，最容易出现强烈的逆温现象。,凡是幻景看上去好象由地面反射而来的，称为下现蜃景。下现蜃景大都出现在热季的沙漠上或冬季暖洋流的海上。在晴朗少云且平静无风的天气里，阳光照射在干燥的沙土上，沙土温度上升极快，由于几乎没有水分蒸发，土壤分子传热极慢，热量集中在表层，接近土壤层的空气温度也因此迅速上升，当上层空气仍然很凉的时候，气温随高度很快降低，空气密度随高度很快增加，而光线在气温随高度而降低的气层内传播时会向上屈折，远方景物投向地面方向的光线，经折射后反而向上折，而进入观测者眼帘,于是观测者就看到了如同水中的倒影似的下现蜃景。