光学011绪论几何光学

光学,主要参考书,赵凯华、钟锡华光学上下册(北大)钟锡华现代光学基础（北大）郭永康、鲍培谛基础光学(四川大学)郭光灿、庄象萱光学(高教社)章志鸣、沈元华、陈惠芬光学(高教社)母国光、战元令光学(人民教育社)E.赫克特；A.赞斯光学上下册(高教社),前言,一.光学的研究对象及学习光学的意义,1.光学的研究对象,光学是研究光的本性、光的产生与控制、光的传输与检测、光与物质的相互作用，以及它的各种应用的学科。,2.学习光学的意义,光学是物理学中一门重要的基础学科，也是一门应用性很强的学科。,二.光学发展简史,光是什么？,我国古代对于光学现象的观察和总结有十分辉煌的成就。（北宋沈括）例如:小孔成像、凸面镜、凹面镜成像,1.我国古代的成就,2.20世纪前的学科发展简史经典光学阶段,观点：光是发光体发射出的微小粒子，所以光是沿着直线行进的。,解释：假定V水V空时，可解释光的反射、折射现象,公元前5世纪17世纪末，18世纪初。,光的微粒说,1642-1772SirIsaacNewton,光的机械波动说,观点：光是一种在“以太”的弹性介质中传播的机械波。,解释：光的直线传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振现象。,17世纪末19世纪上半叶,根据：惠更斯原理,1807年ThomasYoung用光的衍射行为进一步证实了这一理论。,十七世纪晚期ChristianHuygens提出了波动理论，认为光是一种特殊的波而不是粒子集合,1629-1695,“以太”的性质太离奇,横波速度=固体的切变模量/固体的密度1/2,以太的密度要比空气小得多，而它的弹性切变模量比钢大得多。,机械波只能在介质中发生和传播，光是横波，而机械横波只能在固体中产生。,光在不同的介质中传播速度不同。,不同的物质中的以太有不同的性质。,以太充满整个宇宙，所有星体在以太中无阻力运动,光的电磁说,观点：光波就是电磁波。,根据：1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在。,解释：光的反射、折射、干涉、衍射、偏振、色散双折射等现象,1865年麦克斯韦建立了光的电磁理论。,光的波动本性可由麦克斯韦方程组完美描述,18311879(JamesClerkMaxwel)英国物理学家,c（光速）（波长）（频率）可见光4.31015HZ-7.51015HZ光能E=h波的能量与频率成正比,无线电波,可见光波长400nm-760nm,光谱图中最短的射线波长0.1nm,最长的无线电波波长cm-m,20世纪初光学研究进入到近代光学阶段,3.20世纪中若干重大进展,20世纪初期物理学取得了划时代的进展,两理论诞生中光学扮演着极其重要的角色,标志：相对论、量子论的建立,迈克尔孙莫雷实验,用光学方法测量地球对“以太”的运动速度,得到了否定的结果，对爱因斯坦建立相对论起到了重要佐证作用。,19世纪末20世纪初晴朗的物理学天空中“两朵乌云”,黑体辐射光电效应发射的光子数n入射光原子的线状光谱等,经典理论无法解释,“紫外灾难”,维恩公式短波瑞利-金斯长波,1900年普朗克提出能量量子化假设,能量量子化概念的产生,原子光谱结构的规律性的研究黑体辐射能量的光谱分布研究,MaxPlanck1858-1947,引导到,光电效应的研究,1905年爱因斯坦提出光子理论和光的波粒二象性。将光解释成一种能量的集合光子=h。,1879-1955AlbertEinstein,光子的概念、光的波粒二象性,发射的光子数n入射光,光电效应的研究光电池、有声电影、电视等技术。,波粒二象性是一切基本粒子所共有的属性。,*光除了具有波动性外，还具有粒子性。,20世纪2040年代光学技术的成果,全息照相术盖柏（英国、1948年）,采尼克相衬显微镜观察了不染色而仍存活的细胞及透明的细胞质（1935年）（1953年获诺贝尔奖）,FritsZernikel1888-1966,光波的位相关系是表征光的波动特性的一个重要参数。,迈克尔孙天体干涉仪采尼克相衬显微镜全息照相术,均利用了光波的位相关系,50-60年代光学取得了突破性进展激光的出现,1960年世界第一台红宝石激光器研制成功激光的出现使光学学科进入到现代光学阶段,光学学科的革命性发展冲击了整个物理学科并对化学、生物、电子、材料科学、医学等学科都产生了巨大影响。,激光的出现和发展形成了新的光学子学科,激光的出现带来了许多光学新技术的开拓,激光光谱学、非线性光学、薄膜光学等,光纤通信、集成光学、光电子学、光计算机,4.现代光学,现代光学以量子光学、激光理论与技术、非线性光学、现代光学信息处理技术及光电子技术等为标志。,量子电动力学是现代光学的理论基础。,激光的应用,激光核聚变,信息：中科院上海光学精密机械研究所在其建所40周年之际宣布：上海小型化超短超强激光功率成功突破100太瓦（1太瓦1012瓦）大关，输出峰值功率达到120太瓦/36飞秒，这标志着上海在这一领域已进入了国际同类研究的前沿，目前，国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超过100太瓦。在1000万亿分之36秒（3610-15秒）的超短瞬间，上海超短超强激光装置迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率。,激光切割,激光微加工,三.光学的发展趋势光子学的兴起,光子与电子的差别电子光子静止质量mo0运动质量mh/c运动速度小于cc自旋1统计分布规律费米子玻色子电子与光子是截然不同的实体。,光子与电子的相似性,1.性质都具有波粒二象性P=h/=h2.都可作为信息载体助视仪器：显微镜、电子显微镜望远镜、电子望远镜探测仪器：X光衍射仪、电子衍射仪光谱仪、电子光谱仪扫描隧道电子显微镜光子扫描隧道显微镜,相似性,电学、电子学、电子技术、电子工程电子工业光学、光子学、光子技术、光子工程光子工业一门与电子学相并行的学科光子学正在兴起,光学课的特点及学习方法,特点:术语多、概念多、头绪多方法：注意概念的理解、熟悉思维方法,五.课程安排及考核1.课程安排2.考核：平时15%，期中考试15%，期末考试70%。,第一章几何光学,1.1几何光学的基本定律和费马原理1.1基本定律光源、点光源、光线、光束1.光的直线传播定律2.光的独立传播定律3.光的反射定律4.光的折射定律由上述定律可得出光路可逆性原理。,*几何光学实验定律成立的条件,被研究对象的几何尺寸D远大于入射光波波长D/1衍射现象不明显，定律适用。D/1衍射现象明显，定律不适用。2.入射光强不太强在强光作用下可能会出现新的光学现象。：几何光学的基本实验定律有一定的近似性、局限性。,1.2费马原理,一.光程定义光程：l=nl均匀介质中:光程表示光在该介质中走过的几何路程l与介质折射率n的乘积。因为n=c/v，于是得l/c=l/v可见：光程表示光在介质中通过真实路径l所需的时间内，在真空中所能传播的路程,*可见，光在不同的介质中，相同的时间内传播的几何路程不同，但光程相同。,为什么要引入光程的概念？,有,例如：同频率的两束光波，分别在两种不同的介质中传播，在相同的传播时间内，两光波所传播的几何路程不同即：,又有,光程的概念可理解为：光在介质中通过真实路程所需时间内，在真空中所能传播的距离。借助光程，可将光在各种介质中走过的路程折算为在真空中的路程，便于比较光在不同介质中传播所需时间长短。,1.均匀介质中光程l=nl,2.若光线从A出发，中间经过N种不同的均匀介质而到达B点，则总光程l为,3.若A点到B点之间介质的折射率是缓慢连续改变的，则光程为,二.费马原理的表述,费马原理：光线在A、B两点之间传播的实际路径，与其它可能的邻近的路径相比其光程为极值。即：光沿光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播。又因为t=l/c费马原理也可表述为：光沿着所需时间为极值的路径传播。,费马原理的数学描述,在光线的实际路径上光程的变分为零，即费马用光程的概念把几何光学的基本定律归结为一个统一的基本原理，是基本定律的普遍表述。它可以从总体上确定不考虑衍射时，光线行进的路径。,三.费马原理的应用,点光源A（x1，y1，0）接收器B（x2，y2，0）入射线与界面交点CC（x，0，z）,由费马原理可以推导出几何光学的全部基本实验定律，可以确定光线的传播方向、路径,例：利用费马原理导出折射定律,令：由A点到B点的光程:,AB的路径应选择哪一条？,的路径。,按费马原理C点的位置应使ABC为极值。求路径l光程变分为0的条件：光线只取,将l1、l2的表达式代入上式有,1.只有Z=0（2）式才成立。C点Z=0说明：C点位于过A、B点且垂直于折射界面的平面.即:入射线、法线、折射线三者共面。2.,讨论：,C(x,0,z),i1,i2,l2,B(x2,y2,0),x2,-x1,x,O,A(x1,y1,0)Y,l1,X,2成像的基本概念,2.1物和像同心光束相交于一点或延长线相交于一点的光束会聚的同心光束发散的同心光束象散光束,物和像物点和像点：实物、虚物、实象、虚象,物面和像面：物点、像点的集合,光学系统:单个或多个光学元件组成的系统,S2S2S1S3S3n1n2n3n4,物方空间：实际的入射光线所在的空间像方空间：实际的出射光线所在的空间对应的有物方折射率和像方折射率,2.2理想光学系统同心光束通过系统后仍能保持为同心光束理想光学系统成像的性质：1.物象之间的共轭性；,2.物象之间的等光程性。,2.3等光程面物象共轭对应只需单个反射面或折射面能使物、像两点之间所有光线等光程的面。,折射等光程面,上式是四次曲线方程，为卵形线。曲线绕光轴旋转而成笛卡儿卵形面，即为P和P点的折射等光程面。,几点说明：,1物象点的相对性物像点是对同一光学系统而言,2虚实等效性物象之间各光线等光程原理对实物、虚物、实象、虚象点之间均成立对虚物或虚象引入“虚光程”，规定其为负值,3一个物点经等光程面可成完善像，对有限大小的物体并不能成完善像,1.平面反射镜是否是理想光学系统？,问题：,平面镜是理想光学系统,同心光束经平面镜反射后仍为同心光束,像与物同大小并对称于镜面,2.平面折射系统是否是理想光学系统？,S点的位置随i1的不同而不同,平面折射系统不是理想光学系统,当i1、i2都很小时，折射光近似为同心光束，,特殊情况：当i1、i2都很小，cosi2cosi11时,平面折射系统近似为理想光学系统。,3傍轴条件下的单球面折射成像,问题：,1.为什么要研究单球面成像？2.同心光束经单球面折射后是否仍是同心光束？,证明：P点的位置与入射点A有关,同心光束经单球面折射后是否仍是同心光束？,P的位置与A点有关。可见：单球面折射不能成理想像。,3.1傍轴条件,傍轴光线：与光轴成微小角度的光线。,傍轴光线入射时i和i都很小,有,傍轴光束、傍轴小物成像满足傍轴条件。,傍轴条件,傍轴光线经折射后都通过P点，点物成点像,在POAP，OPAP时,P与A点无关。,推广：一个与光轴垂直的傍轴平面小物以傍轴光线入射，所成的像也与光轴