光学(绪论)+几何光学1

1、光光 学学 参考书参考书 1、光学、光学 郭永康郭永康 高等教育出版社高等教育出版社 2、光学、光学 蔡履中蔡履中 科学出版社科学出版社 3、现代光学基础、现代光学基础 钟锡华钟锡华 北京大学出版社北京大学出版社 期末总成绩构成期末总成绩构成 平时作业：平时作业： 20分分 平时成绩：平时成绩： 10分分 期中考试：期中考试： 20分分 期末考试：期末考试： 50分分 教材教材 光学光学 赵凯华赵凯华 高等教育出版社高等教育出版社 4、光学原理、光学原理 玻恩玻恩 电子工业出板社电子工业出板社 光学绪论光学绪论 一、光学研究内容一、光学研究内容 二、光学发展历史二、光学发展历史 三、为什么学习

2、光学三、为什么学习光学 一、光学研究内容一、光学研究内容 光学研究光的本性、光的发射、传播、接收和光与光学研究光的本性、光的发射、传播、接收和光与 物质的相互作用等方面的规律。物质的相互作用等方面的规律。 光学光学研究研究是广义的，是研究从微波、红外线、可见是广义的，是研究从微波、红外线、可见 光、紫外线直到光、紫外线直到X X射线的宽广波段范围，关于电磁辐射线的宽广波段范围，关于电磁辐 射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用 的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与 其他应用技术紧密相关

3、的学科。其他应用技术紧密相关的学科。 光学分成几何光学、物理光学和量子光学光学分成几何光学、物理光学和量子光学 几何光学几何光学是从是从光线的概念光线的概念出发，研究出发，研究光在各种媒质光在各种媒质 中传播中传播的特点和成像规律。的特点和成像规律。 物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程 中所发生的现象的学科，中所发生的现象的学科，通常通常也称为波动光学。也称为波动光学。波波 动光学动光学研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及 光在各向异性的媒质中传光在各向异性的媒质中传播播的现象的现象和规律和规律。 量

4、子光学量子光学是是从光子的性质出发，研究光与物质相从光子的性质出发，研究光与物质相 互作用的学科。它的基础主要是量子力学和量子电互作用的学科。它的基础主要是量子力学和量子电 动力学动力学。 墨子墨子( (前前468468年前年前376376年）对光学很有研究，研究光的年）对光学很有研究，研究光的 直线传播、光的反射和若干物影成像规律。直线传播、光的反射和若干物影成像规律。 二、光学发展历史二、光学发展历史 中国的墨经中记录了世界上最早的光学知识。它中国的墨经中记录了世界上最早的光学知识。它 有八条关于光学的记载，影的定义和生成，光的直线有八条关于光学的记载，影的定义和生成，光的直线 传播性和针

5、孔成像，在平面镜、凹球面镜和凸球面镜传播性和针孔成像，在平面镜、凹球面镜和凸球面镜 中物和像的关系。中物和像的关系。 自墨经自墨经) )开始，公元开始，公元1111世纪阿拉伯人伊本世纪阿拉伯人伊本 海赛木海赛木 发明透镜；公元发明透镜；公元15901590年到年到1717世纪初，詹森和李普希世纪初，詹森和李普希 同时独立地发明显微镜；同时独立地发明显微镜；1717世纪上半叶，斯涅耳和世纪上半叶，斯涅耳和 笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天 大家所惯用的反射定律和折射定律。大家所惯用的反射定律和折射定律。 光的机械论认识光的机械论认识 -粒子

6、粒子- -波动之争波动之争 斯涅耳斯涅耳 笛卡儿笛卡儿 费马费马 胡克胡克 牛顿牛顿 惠更斯惠更斯 杨氏杨氏（T.Young 1773-1829)T.Young 1773-1829) 杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的工 作。用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色。 但是由于杨氏的见解大部分是定性的表达，所以没 有赢得普遍认可。 波动理论的复兴波动理论的复兴 1818 1818年巴黎科学院有奖征文活动，支持光的年巴黎科学院有奖征文活动，支持光的 粒子说观点，但是他们的希望落空了。因为，尽粒子说观点，但是他们的希望落空了。因为，尽 管有强烈的反对，奖金还是授给了以波动理论为管有强烈的反对

7、，奖金还是授给了以波动理论为 其论述基础的菲涅耳其论述基础的菲涅耳(A. J. Fresnel, 1788-(A. J. Fresnel, 1788- 1827)1827)，而且这只不过是接连这样一系列研究的，而且这只不过是接连这样一系列研究的 第一篇，这些研究在几年之内就使微粒理论的声第一篇，这些研究在几年之内就使微粒理论的声 誉丧失尽净。誉丧失尽净。 傅科与斐索和布雷格特在1850年所进行的一项由 阿拉果首先建议的实验，确认光速在空气中和水 中哪个更快。 傅科傅科斐索斐索 布雷格特布雷格特 麦克斯韦推测光波是电磁波麦克斯韦推测光波是电磁波 光波电磁理论的建立：光波电磁理论的建立： 法拉第法

8、拉第(M.Famday, 1791-1867(M.Famday, 1791-1867) ) 麦克斯韦麦克斯韦(J.C.Maxwe,1831-1879(J.C.Maxwe,1831-1879 18881888年赫兹的直接实验所证年赫兹的直接实验所证 实光就是电磁波实光就是电磁波 电磁波谱电磁波谱 经典物理的大厦的建成！经典物理的大厦的建成！ 经典光学不能说明光的发射过程和吸收过程。在这些经典光学不能说明光的发射过程和吸收过程。在这些 过程中，物质和光波场相互作用的精细面貌被显现出过程中，物质和光波场相互作用的精细面貌被显现出 来。支配这些过程的规律，是近代光学。来。支配这些过程的规律，是近代光学

9、。 基尔霍夫基尔霍夫 （G. R. Kirchhoff,18241887） 夫琅禾费夫琅禾费 (J. Fmunhofer, 1787-1826) 近代物理的开启近代物理的开启光谱光谱 近代物理的开启近代物理的开启紫外灾难紫外灾难 瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论，导出黑体瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论，导出黑体 辐射公式，该公式要求辐射能量随频率的增长而趋于无辐射公式，该公式要求辐射能量随频率的增长而趋于无 穷大。穷大。 瑞利瑞利(J. W. S. Rayleigh 1842一一1919) 金斯金斯(J. H. Jeans1877-1946) 量子力学的诞生量子力学的诞生 为了解

10、决黑体辐射理论中的矛盾，为了解决黑体辐射理论中的矛盾， 19001900年普朗克提年普朗克提 出了量子假说，认为各种频率的电磁波出了量子假说，认为各种频率的电磁波( (包括光包括光) )，只，只 能像微粒似地以一定最小份额的能量程能像微粒似地以一定最小份额的能量程h h ( (称为能称为能 量子量子) )发生。发生。 其中其中h h=6.55=6.55l0l0-27 -27尔格 尔格/ /秒，是普朗克秒，是普朗克 常数。我们可以说，常数常数。我们可以说，常数h h的出现是近代物理学区别的出现是近代物理学区别 于旧物理学的标志于旧物理学的标志。 普朗克普朗克 MaPlanck (1858-194

11、7) 光本质的再认识光本质的再认识 爱因斯坦根据普朗克理论，于爱因斯坦根据普朗克理论，于19051905年使光的微粒理论在年使光的微粒理论在 一种新形式下复活起来。他假设，普朗克的能量量子作一种新形式下复活起来。他假设，普朗克的能量量子作 为实在的光粒子而存在，这种光粒子叫做为实在的光粒子而存在，这种光粒子叫做“光量子光量子”或或 “光子光子”。由此他成功地解释了当时在光。由此他成功地解释了当时在光- -粒子能量转粒子能量转 换方面新发现不久的一些现象，它们用波动理论不能够换方面新发现不久的一些现象，它们用波动理论不能够 说明，其中主要是所谓光电效应和光化学基本规律。说明，其中主要是所谓光电效

12、应和光化学基本规律。 爱因斯坦爱因斯坦 (1879-1955) 量子力学的诞生量子力学的诞生 玻尔玻尔(N.(N. Bohr,1885-1962)Bohr,1885-1962)把量子理论应用到原子结构，把量子理论应用到原子结构， 于于19131913年成功地解释了气体线光谱的简单规律年成功地解释了气体线光谱的简单规律. . 。从这。从这 些开端和越来越多的实验材料，发展出了现代量子力学些开端和越来越多的实验材料，发展出了现代量子力学 海森伯海森伯(W.H.iseb(W.H.iseb垮垮) )，玻恩，玻恩(M.Bom)(M.Bom)，约旦，约旦 (P.Jordan)(P.Jordan)，德布罗意

13、，德布罗意(L.de Broglie)(L.de Broglie)，薛定谔，薛定谔 (E.Schr(E.Schrdinger)dinger)，狄拉克，狄拉克(P.A.M.(P.A.M. Dimc) Dimc) 玻尔玻尔海森伯海森伯 薛定谔薛定谔狄拉克狄拉克 玻恩玻恩 德布罗意德布罗意 场和物质相互作用的详细理论，需要把量场和物质相互作用的详细理论，需要把量 子力学方法的领域加以扩大子力学方法的领域加以扩大( (场量子化场量子化) )。 对于电磁辐射场，这项工作是首先由狄拉对于电磁辐射场，这项工作是首先由狄拉 克做出的。这些研究形成量子光学的基础。克做出的。这些研究形成量子光学的基础。 量子光学

14、的诞生量子光学的诞生 现代光学和应用现代光学和应用 - -激光的诞生激光的诞生 19171917年爱因斯坦提出受激辐射的概念。年爱因斯坦提出受激辐射的概念。 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (LASER) 19601960年，休斯顿航空公司的年，休斯顿航空公司的TheodoreTheodoreMalmanMalman用人用人 造红宝石制造了一个激光器（造红宝石制造了一个激光器（ 694nm ）。 1960 1960年年Ali JavanAli Javan成功制备第一台连续激光器成功制备第一台连续激光器 ，即

15、，即He-He- NeNe激光（激光（6328nm6328nm）. . 各种工作介质、各种泵浦方式、各种波段的激光先后各种工作介质、各种泵浦方式、各种波段的激光先后 出现出现 NsNs、psps、fsfs、as as 激光激光 非线性光学非线性光学 现代光谱学现代光谱学 早在早在19661966年，高锟就取得了光纤物理学上的突破年，高锟就取得了光纤物理学上的突破 性成果，他计算出如何使光在光导纤维中进行远性成果，他计算出如何使光在光导纤维中进行远 距离传输，这项成果最终促使光纤通信系统问世，距离传输，这项成果最终促使光纤通信系统问世， 而正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路。而正是光纤通信

16、为当今互联网的发展铺平了道路。 信息光学信息光学 后续课程后续课程 1、光波导理论、光波导理论 2、光纤通信基础、光纤通信基础 3、激光原理、激光原理 4、非线性光学导论、非线性光学导论 5、光电子学、光电子学 其它课程其它课程 1、偏振光学、偏振光学 5、超快光学、超快光学 2、统计光学、统计光学 6、傅里叶光学、傅里叶光学 3、光子晶体、光子晶体 7、量子光学、量子光学 4、薄膜光学、薄膜光学 8、非线性光纤光学、非线性光纤光学 . 三、为什么学习光学三、为什么学习光学 信信 息息 载载 体体 电子电子(electron) 光子光子(photon) 电子学电子学 光子学光子学 光子学与电子

17、学一起扮演着信息化社会两光子学与电子学一起扮演着信息化社会两 大关键支柱的重要角色大关键支柱的重要角色 28 光子学与电子学的发展路线图光子学与电子学的发展路线图 电磁学电磁学电子学电子学微电子学微电子学纳米电子学纳米电子学 18世纪世纪 光学光学光子学光子学光电子学光电子学纳米光子学纳米光子学 1906年年电子管电子管 1948年年晶体管晶体管 1960年年集成电路集成电路 21世纪世纪 18世纪世纪 1960年激光器年激光器 1970年年光纤、光纤、 室温室温LDLD、集成光路、集成光路 2121世纪世纪 激光物理学激光物理学 非线性光学非线性光学 付里叶光学付里叶光学 量子光学量子光学

18、几何光学几何光学 波动光学波动光学 工程光学工程光学 光谱学光谱学 光纤光学光纤光学 集成光学集成光学 光纤通信光纤通信 量子光通信量子光通信 近场光学近场光学 纳米光子材料纳米光子材料 纳米光子器件纳米光子器件 全光信息技术全光信息技术 物物 理理 学学 纳纳 米米 科科 学学 光子较电子优势：光子较电子优势： 1、光子频率高，具有较高信息容量、光子频率高，具有较高信息容量 2、光子传递速度快，比电子快几个数量级；、光子传递速度快，比电子快几个数量级； 3、光子具有极强的互联能力和并行信息处理能力；、光子具有极强的互联能力和并行信息处理能力； 4、光子波长短，具有较高的信息处理能力，光子能够

19、同时进行一维、光子波长短，具有较高的信息处理能力，光子能够同时进行一维、 二维和三维存储能力，存储能力比电子高二维和三维存储能力，存储能力比电子高106到到09 5、激光技术产生的超短光脉冲比电脉冲要短、激光技术产生的超短光脉冲比电脉冲要短103，可以用于诊断超快，可以用于诊断超快 物理和化学过程，物理和化学过程， 6、光子能为人们的眼睛所接受，具有直接显示色彩的功能；、光子能为人们的眼睛所接受，具有直接显示色彩的功能； 7、光子能量与绝缘体和半导体中的电子、声子产生共振相互作用，、光子能量与绝缘体和半导体中的电子、声子产生共振相互作用， 利用这种相互作用易于解决信息产生和接受等问题。利用这种

20、相互作用易于解决信息产生和接受等问题。 30 光光 无无 源源 器器 件件 光光 纤纤 与与 光光 缆缆 光光 有有 源源 器器 件件 光光 通通 信信 测测 试试 设设 备备 光光 通通 信信 系系 统统 设设 备备 光光 学学 仪仪 器器 光光 谱谱 仪仪 器器 光光 学学 零零 件件 真真 空空 镀镀 膜膜 光光 学学 材材 料料 光光 盘盘 与与 光光 盘盘 机机 激激 光光 器器 与与 发发 光光 管管 显显 示示 器器 打打 印印 机机 与与 复复 印印 机机 数数 码码 相相 机机 图图 像像 扫扫 描描 仪仪 图图 像像 传传 感感 器器 光光 电电 探探 测测 器器 太太 阳

21、阳 能能 电电 池池 光光 照照 明明 激激 光光 雷雷 达达 测测 距距 仪仪 全全 息息 照照 相相 设设 备备 激激 光光 加加 工工 处处 理理 设设 备备 激激 光光 器器 系系 统统 设设 备备 激激 光光 医医 疗疗 设设 备备 教学内容教学内容 1.1.绪论绪论 2.2.几何光学几何光学 3.3.光波干涉和相干性光波干涉和相干性 4.4.衍射光学衍射光学 5.5.信息光学引论信息光学引论 6.6.光在晶体中的传播光在晶体中的传播 7.7.吸收、色散和散射吸收、色散和散射 第一章第一章 几何光学的基本原理几何光学的基本原理 （Geometrical OpticsGeometric

22、al Optics） 照相机、投影仪 常见光电仪器：常见光电仪器： 显微镜 望远镜 光电仪器三大部分：光电仪器三大部分： 机械部分：机械部分： 仪器的传动机构、联接机构、调仪器的传动机构、联接机构、调整机构、壳体整机构、壳体 等等 电器部分：电器部分： 各种电子线路、照明、显示、计算机控制等各种电子线路、照明、显示、计算机控制等 光学部分：光学部分： 由各类透镜、棱镜、平面镜、光栅等光学元件由各类透镜、棱镜、平面镜、光栅等光学元件 组合而成组合而成 几何光学是光学中发展最早的一部分。它几何光学是光学中发展最早的一部分。它 所研究的中心问题是物体经光学系统成像的问所研究的中心问题是物体经光学系统

23、成像的问 题。它是以光线概念为基础，研究光的传播规题。它是以光线概念为基础，研究光的传播规 律和成像规律。律和成像规律。 适用条件：传播时遇到障碍物的尺寸远大适用条件：传播时遇到障碍物的尺寸远大 于波长。于波长。 几何光学的基本原理几何光学的基本原理 2、反射定律、反射定律 3. 折射定律折射定律 ( Snell定律定律) 1 几何光学基本定律几何光学基本定律 （“三定律三定律”） 1. 直线传播直线传播 (均匀媒质中均匀媒质中) 从三定律出发，研究光线经不同界面的传从三定律出发，研究光线经不同界面的传 播方向，研究光线的传播和成像问题。播方向，研究光线的传播和成像问题。 一、几何光学的基本实

24、验定律一、几何光学的基本实验定律 1、直线传播定律、直线传播定律 光在均匀介质中沿直线传播（平面镜成像规律，日全光在均匀介质中沿直线传播（平面镜成像规律，日全 食）。食）。 2、光的反射定律、光的反射定律 3、光的折射定律、光的折射定律 2211 sinsinnn 二、二、 “三定律三定律”内容内容 介质介质2 介质介质1 分界面分界面 物物 像像 1 i 2 i 棱镜棱镜 (Prisms) 棱镜由抛光平面包围着的透明介质组成，可以改变光线传播方向。 三、全反射三、全反射 光密介质（光密介质（n1）到）到 光疏介质（光疏介质（n2） 入射角大于临界角入射角大于临界角 全反射图片全反射图片 按照

25、波动理论，产生全反射时除反射波外，在光疏介按照波动理论，产生全反射时除反射波外，在光疏介 质中并非完全不存在透射波，只不过它质中并非完全不存在透射波，只不过它沿界面方向传沿界面方向传 播，且其振幅在垂直界面方向按指数衰减，透入深度播，且其振幅在垂直界面方向按指数衰减，透入深度 只有波长量级，只有波长量级，称为称为倏逝波倏逝波，或，或隐失波隐失波。 但平均来说，光波的能量全部返回光密介质，但平均来说，光波的能量全部返回光密介质， 在光疏介质中并不形成透射光。在光疏介质中并不形成透射光。 光导纤维光导纤维 Light can travel with little loss in a curved

26、optical fiber, because the light is totally reflected whenever it strikes the core-cladding interface and because the absorption of light by the core itself is small. 2 2 2 1 sinnni 全反射棱镜全反射棱镜 倒转棱镜倒转棱镜 5 .67 5 .67 屋脊形五棱镜屋脊形五棱镜 主要用于改变光主要用于改变光 传播方向并使像传播方向并使像 上下左右转变。上下左右转变。 2费马原理费马原理 (Fermats Principle

27、) Fermat于于1679年提出的，它是从光程的观点描述光年提出的，它是从光程的观点描述光 传播的规律。传播的规律。 光程的概念对几何光学的重要意义体现在费马原理中。光程的概念对几何光学的重要意义体现在费马原理中。 几何光学的基础是前面所提到三个实验定律，费马却几何光学的基础是前面所提到三个实验定律，费马却 用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的原用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的原 理。理。 一、光程一、光程 光程光程 ( QP ) = n l 沿沿L 分段均匀：分段均匀： ( QP ) 光程定义：光程定义：光线路径的几何长度与所经过的介质折射率的乘光线路径的几何长度与所经

28、过的介质折射率的乘 积。积。 均匀介质均匀介质 = n1 l1 + n2 l2 + n3 l3 dsrnQPL l P Q )()( )( 对于非均匀介质对于非均匀介质 i i i lllQP 2 ) 22 ()()( 2 2 1 1 )( 22 )()( 00 QPLlnQP i ii 即：即： 光程与时差光程与时差 Q QP P的传播时间：的传播时间： i i i i iQP v l tttt tcQPLQPL c ln c t i ii )()( 11 或 介质中光速用真空光速和折射率代替：介质中光速用真空光速和折射率代替： 光程的另一角度认识光程的另一角度认识 光经历光经历Q Q和和P

29、 P两点的光程等于传播时间乘以真空光速。两点的光程等于传播时间乘以真空光速。 二、费马原理的表述二、费马原理的表述 从一点到另一点的一条实际光线取这样的路径：其从一点到另一点的一条实际光线取这样的路径：其光光 程程与邻近路径光程相比与邻近路径光程相比是极大值、极小值或稳定值是极大值、极小值或稳定值；或；或 光程沿平稳值路径传播。光程沿平稳值路径传播。 平稳值的三种基本的含义：平稳值的三种基本的含义： 极小值极小值常见情况，常见情况， 常数常数成像系统的物像关系成像系统的物像关系 极大值极大值个别现象个别现象 平稳值 dsrnQPL l P Q )()( )( 费马原理的数学表达式费马原理的数学

30、表达式 )()()( )( lLdsrnQPL l P Q 路径积分：路径积分： 是路径（是路径（l l）的泛函，俗称函数的函数，平稳值要求）的泛函，俗称函数的函数，平稳值要求 变分为零。变分为零。 0)(0)( )( lLdsrn l P Q ，或 为变分符号。为变分符号。 光程为平稳值的典型情况光程为平稳值的典型情况 费马原理应用例题费马原理应用例题双双 曲透镜聚焦平行光曲透镜聚焦平行光 一宽平行光入射于一透一宽平行光入射于一透 镜，要求其透射光线严镜，要求其透射光线严 格聚焦于格聚焦于F F点，试问点，试问 应应 该是何形状？该是何形状？ F r0 r M H OO N 严格成像严格成像严格等光程严格等光程 FOOLNMFL FOHOOHnMFNMn FOHOnMF 00 cosrrrnr 解出：解出： cos1 1 1 cos1 1 0 0 n r n n n rn r 是一条二次曲线，曲面是旋转双曲面。是一条二次曲线，曲面是旋转双曲面。 反射等光程面反射等光程面 旋转椭球面旋转椭球面旋转抛物面旋转抛物面 三、费马原理与三个实验定律三、费马原理与三个实验定律 1 1、光在均匀介质中直线传播、光在均匀介质中直线传播 2 2、反射定律、反射定律 Q Q M M P 要