第1章光和光的传播1

1、物理光学与应用光学教材： 新概念物理教程 光学赵凯华 高等教育出版社主要参考书：物理光学与应用光学石顺详 西安电子科技大学出版社讲课人：王加贤讲课人：王加贤 教授教授/博士博士TEL:-mail：2光的衍射光的衍射3散射-空气条件好的情况 大气散射太阳光，短波成分遭到的散射比长波成分强烈得多，天空是蓝色。大气散射太阳光，短波成分遭到的散射比长波成分强烈得多，天空是蓝色。散射-朝阳短波被散射，直射的日光中剩余较多长波成分。早晚太阳以很大的倾角穿过短波被散射，直射的日光中剩余较多长波成分。早晚太阳以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的厚度要比中午大得多。大气层，经历大气层的

2、厚度要比中午大得多。5绪 论日晕现象 日晕是一种日晕是一种大气光学现象大气光学现象，是日光通过卷层云时，受到冰，是日光通过卷层云时，受到冰晶的晶的折射折射或或反射反射而形成的。当光线射入卷层云中的而形成的。当光线射入卷层云中的冰晶冰晶后，经后，经过两次折射，分散成不同方向的各色光。有过两次折射，分散成不同方向的各色光。有卷层云卷层云时，天空中时，天空中会飘浮着无数冰晶，在太阳周围同一圈上的冰晶，都能将同一会飘浮着无数冰晶，在太阳周围同一圈上的冰晶，都能将同一种颜色的光折射到人的眼睛里形成种颜色的光折射到人的眼睛里形成内红外紫内红外紫的晕环。的晕环。 天空中有冰晶组成的卷层云时，往往在太阳周围出

3、现一个天空中有冰晶组成的卷层云时，往往在太阳周围出现一个或两个以上以太阳为中心、内红外紫的彩色或两个以上以太阳为中心、内红外紫的彩色光环光环，有时还会出，有时还会出现很多彩色或白色的现很多彩色或白色的光点光点和光弧，这些光环、光点和光弧统称和光弧，这些光环、光点和光弧统称为晕。为晕。 “ “日晕日晕”多出现在春夏季节。民间有多出现在春夏季节。民间有“日晕三更日晕三更雨，月雨，月晕午时风晕午时风”说法。由于蕴含冰晶的高云一般是雷雨天气入侵的说法。由于蕴含冰晶的高云一般是雷雨天气入侵的“先锋先锋”，所以日晕的出现，往往预兆着天气在短时间内便会，所以日晕的出现，往往预兆着天气在短时间内便会转坏。转坏

4、。Applied Optics7海市蜃楼海市蜃楼 海市蜃楼是一种因海市蜃楼是一种因光的折射光的折射而形成的而形成的自然现象自然现象。它也简。它也简称蜃景，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。称蜃景，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。 在春夏季节，白昼海水温度比较低，特别是有冷水流经过在春夏季节，白昼海水温度比较低，特别是有冷水流经过的海面，水温更低，造成下层空气比上层空气的温度低，即的海面，水温更低，造成下层空气比上层空气的温度低，即出现出现下冷上暖下冷上暖的反常现象（正常情况是下暖上凉，平均每升的反常现象（正常情况是下暖上凉，平均每升高高100米，气温降低米，气温降低0.6

5、 左右）。下层空气本来就因气压较左右）。下层空气本来就因气压较高，密度较大，现在再加上气温又较上层更低，密度就显得高，密度较大，现在再加上气温又较上层更低，密度就显得特别大，因此空气层下密上疏的差别异常显著，出现折射率特别大，因此空气层下密上疏的差别异常显著，出现折射率往上减小的现象。往上减小的现象。9绪 论四川乐山居然出现3个太阳。“幻日”是大气的一种光学现象，当天空中出现许多六角形的冰晶体时，偶尔会发生非常规律的折射。 幻日的出现，是由于日晕两侧幻日的出现，是由于日晕两侧的对称点上，冰晶体变成无数的对称点上，冰晶体变成无数面小镜子，这些小镜子纷纷反面小镜子，这些小镜子纷纷反射阳光，显得特别

6、明亮，便会射阳光，显得特别明亮，便会出现几个太阳的虚像，这就是出现几个太阳的虚像，这就是奇特的奇特的“幻日幻日”了。如果了。如果气象气象条件合适，我们有时能看到太条件合适，我们有时能看到太阳的上下左右对称点各有一个阳的上下左右对称点各有一个幻日，那天空就会有五个幻日，那天空就会有五个“太太阳阳”。幻日现象幻日现象10偏振偏振变换光学与全息照相变换光学与全息照相衍射衍射干涉干涉几何光学成像几何光学成像 光和光的传播光和光的传播物理光学与应用光学 (48学时)光与物质的相互作用光与物质的相互作用 光的量子性光的量子性2 光的几何光学传播规律光的几何光学传播规律3 光的波动光学传播基础光的波动光学传

7、播基础惠更斯原理惠更斯原理4 费马原理费马原理5 光度学基本概念光度学基本概念1 光和光的传播光和光的传播新概念物理教程 光学1 1 光和光的传播光和光的传播1、几何光学时期几何光学时期 (AC16AC18世纪世纪) 牛顿的微粒说：直线运动的粒子流牛顿的微粒说：直线运动的粒子流 惠更斯的波动说：特殊弹性介质中的机械波，纵波惠更斯的波动说：特殊弹性介质中的机械波，纵波 微粒说占上风微粒说占上风因为牛顿太伟大了因为牛顿太伟大了 2、波动光学时期波动光学时期 (AC1920世纪初世纪初) 杨氏和菲涅耳的波动理论：横波，解释干涉、衍射、偏振杨氏和菲涅耳的波动理论：横波，解释干涉、衍射、偏振 1865，

8、麦克斯韦方程：电磁波波速为，麦克斯韦方程：电磁波波速为C光也是电磁波光也是电磁波 1888，赫兹实验：，赫兹实验： 弹性媒质以太中的横波弹性媒质以太中的横波 成就成就：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思 想，对光的本性认识前进了一大步。想，对光的本性认识前进了一大步。 出现问题出现问题：黑体辐射、光电效应、康浦顿效应：黑体辐射、光电效应、康浦顿效应 一、光的本性一、光的本性牛顿牛顿惠更斯惠更斯光不是一种连续不断的流的形式，而是由小微粒组成的光电效应杨氏双缝干涉实验普朗克普朗克托马斯托马斯杨杨赫兹赫兹黑体辐射：黑体辐射：所谓黑体是指入射的所谓黑体是

9、指入射的电磁波电磁波全部被吸收，既没有全部被吸收，既没有反反射射，也没有，也没有透射透射( 当然黑体仍然要向外辐射当然黑体仍然要向外辐射)。任何物体都具有。任何物体都具有不断辐射、吸收、反射不断辐射、吸收、反射电磁波电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射热辐射。光电效应：光电效应：在光的照射下，某些在光的照射下，某些物质物质内部的内部的电子电子会被光子激发会被光子激发出来而形成电流，

10、即光生电出来而形成电流，即光生电 。与光强无关只与频率有关。与光强无关只与频率有关。康普顿效应康普顿效应：短波电磁辐射：短波电磁辐射(如如X射线，伽玛射线射线，伽玛射线)射入物质而被射入物质而被散射后，除了出现与入射波同样波长的散射外，还出现波长向散射后，除了出现与入射波同样波长的散射外，还出现波长向长波方向移动的散射现象。长波方向移动的散射现象。光的微粒说光的波动说光到底是什么？光是一种波，同时也是一种粒子。光具有波粒二象性。站在巨人和矮子的肩上阿拉伯爱因斯坦3、量子、量子光学时期（光学时期（19001960）光的粒子性光的粒子性：解释黑体辐射、光电效应、康普顿效应等：解释黑体辐射、光电效应

11、、康普顿效应等光的波动性光的波动性：解释大量的干涉、衍射、偏振现象：解释大量的干涉、衍射、偏振现象爱伊斯坦提出光的波粒二象性：爱伊斯坦提出光的波粒二象性： E=h ； P=h/ 受光的波粒二象性启发，得布罗意提出微观粒子同样具有受光的波粒二象性启发，得布罗意提出微观粒子同样具有波粒二象性，诞生了量子力学。波粒二象性，诞生了量子力学。4、现代、现代光学时期光学时期 (20世纪世纪60年代开始年代开始)激光光学，非线性光学，光纤光学，薄膜光学，信息光学激光光学，非线性光学，光纤光学，薄膜光学，信息光学关于光的本性关于光的本性至今答案没有令人满意的答案至今答案没有令人满意的答案 光学近代进展管窥光学

12、近代进展管窥上世纪中叶开始：上世纪中叶开始：新思想、新方法、新技术、新材料新思想、新方法、新技术、新材料.傅里叶光学、全息学、激光、纤维光学、薄膜光学、集成光学傅里叶光学、全息学、激光、纤维光学、薄膜光学、集成光学、光计算机、光计算机. 傅里叶光学及傅里叶光学及光学信息处理光学信息处理4-f 空间滤波空间滤波系统系统运动引起运动引起模糊模糊消模糊消模糊图像锐化图像锐化傅里叶光学及傅里叶光学及光学信息处理光学信息处理全息学全息学激光激光纤维光学及光通信纤维光学及光通信光通信光通信自由空间互连自由空间互连集成光学与光计算机集成光学与光计算机1、热辐射、热辐射 温度辐射温度辐射在一定温度下处于热平衡

13、状态物体的辐射在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射二、光源与光谱二、光源与光谱光源：任何发光的物体都可以叫做光源。光源：任何发光的物体都可以叫做光源。太阳光，烛光、白炽灯等太阳光，烛光、白炽灯等 2、光的非热发射、光的非热发射电致发光电致发光电场补给能量电场补给能量日光灯日光灯荧光荧光电磁波或电子束作用下电磁波或电子束作用下电子显象管电子显象管磷光磷光受电磁波或电子束作用后的持续发光受电磁波或电子束作用后的持续发光夜光表指针夜光表指针化学发光化学发光化学反应化学反应“鬼火鬼火”生物发光生物发光特殊类型的化学反应特殊类型的化学反应萤火虫萤火虫 一些基本概念一些基本概念电致发光电致发光- 闪电闪电

14、 发光二极管等发光二极管等光致发光光致发光- 荧光物质荧光物质 磷光物质磷光物质化学发光化学发光 - 燃烧燃烧 萤火虫萤火虫 日光灯日光灯两端各有一两端各有一灯丝灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的汞，灯管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发，两个灯丝之间的气体导电时发出出紫外线紫外线，使荧光粉发出柔和的可见光。，使荧光粉发出柔和的可见光。 夜光表夜光表是用是用夜光粉夜光粉涂在表盘字块和指针上，在晚上或黑暗涂在表盘字块和指针上，在晚上或黑暗处能看清时间。夜光粉是以粉末状的处能看清时间。夜光粉是以粉末状的硫化锌硫化锌为基质，它本身不

15、为基质，它本身不发光，只是具有发光，只是具有磷光特性磷光特性，即在阳光或灯光照射后得到激发，即在阳光或灯光照射后得到激发，将持续发一定时间的光。将持续发一定时间的光。 因为人的骨头里含着磷，磷与水或者碱作用时会产生因为人的骨头里含着磷，磷与水或者碱作用时会产生磷化磷化氢氢，是可以自燃的气体，重量轻，风一吹就会移动，是可以自燃的气体，重量轻，风一吹就会移动. . 萤火虫萤火虫的发光，简单来说，是荧光素（的发光，简单来说，是荧光素（luciferinluciferin）在催化）在催化下发生的一连串复杂生化反应；而光即是这个过程中所释放的下发生的一连串复杂生化反应；而光即是这个过程中所释放的能量。能

16、量。光速光速常数常数8299792458m/s3 10 m/sc 单色光单色光谱线宽度：谱线宽度： 可见光可见光:波长范围波长范围频率范围：频率范围： Hz101 . 4Hz105 . 71414 连续光谱连续光谱 线光谱线光谱 760nm360nm vc 紫外光：几紫外光：几nm360nm；红外光：；红外光：760nm0.1mm光包括紫外光、可见光、红外光。光包括紫外光、可见光、红外光。()dIid00( )IdIid复色光复色光谱密度谱密度元素元素谱线波长谱线波长/nm/nm颜色颜色 钠（钠（Na）589.0，589.6黄（黄（D双线）双线）汞（汞（Hg）404.7，407.8435.85

17、46.1（最强）（最强）577.0，579.1紫紫蓝蓝绿绿黄黄镉（镉（Cd）634.8红红氪（氪（Kr）605.7橙橙典型谱线典型谱线 光强度光强度坡印亭矢量：坡印亭矢量：电磁波的能流密度、电磁波的能流密度、平面电磁波是横波平面电磁波是横波 平面电磁波是横波平面电磁波是横波SEH坡印亭矢量的大小坡印亭矢量的大小 200SEHE00EH nc;v000011关系式关系式磁磁导导率率为为相相对对介介电电常常数数和和相相对对、 光强度光强度波动观点波动观点 电磁波的平均能流密度电磁波的平均能流密度S，功率密度，功率密度220AIEI或2000202002)(cos1EcndttTcnEdtSTSSI

18、TT 2020000EcnEEEEHS 对同一介质，取相对值对同一介质，取相对值 1、几何光学、几何光学 线线 直线传播、反射、折射、成像直线传播、反射、折射、成像 应用光学应用光学2、波动光学、波动光学 波波 干涉、衍射、偏振、光速干涉、衍射、偏振、光速介质波介质波3、量子光学、量子光学 粒子粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应黑体辐射、光电效应、康普顿效应 光子光子4、现代光学、现代光学 光子学光子学 激光、光纤通信、非线性光学激光、光纤通信、非线性光学 集成光学、信息光学、超快速光学集成光学、信息光学、超快速光学光子计算机光子计算机 并行、并行、宽带、高速、准确宽带、高速、准确 梦梦 三

19、、光学的研究对象、分支与应用三、光学的研究对象、分支与应用2 2 光的几何光学传播规律光的几何光学传播规律 1、直线传播定律直线传播定律：各向同性均匀介质各向同性均匀介质 物体的影子物体的影子 小孔成像小孔成像 一、几何光学三定律一、几何光学三定律2、反射定律反射定律 与与 n 无关；无色散。无关；无色散。即不同介质，同一入射角，即不同介质，同一入射角， 则，反射角则，反射角i 相同相同ii 则则 ， 对称：光路可逆对称：光路可逆ii ii 漫反射现象之解释漫反射现象之解释(1) 文字表述（略）文字表述（略）(2) 数学表式数学表式(3) 讨论：讨论： 光的反射与折射光的反射与折射 (3) 讨

20、论讨论)()(sinsin1212fnfinni 光疏媒质与光密媒质之相对性光疏媒质与光密媒质之相对性3、折射定律折射定律vcnnnvviiinin,sinsinsinsin1221212211(2) 数学表式数学表式(1) 文字表述（略）；文字表述（略）； 色散现象色散现象 光的折射光的折射 几何光学三定律在空间障碍物以及反射几何光学三定律在空间障碍物以及反射和折射界面尺寸和折射界面尺寸远大于远大于光的波长时才成光的波长时才成立；界面的平整度在波长尺寸内。立；界面的平整度在波长尺寸内。1、全反射全反射12arcsinnnic 当入射角达到某一值当入射角达到某一值（临界角）时，不再有折（临界角

21、）时，不再有折射光而全部被反射射光而全部被反射全全反射，反射，其临界角的大小为其临界角的大小为 利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。 光纤通信就是利用全反射原理光纤通信就是利用全反射原理90sinsin21ninc 全反射全反射二、全反射二、全反射 光学纤维（光导纤维）光学纤维（光导纤维） 2、光导纤维光导纤维 光学纤维光学纤维)2sin(sinsinsin11012ccinininnni 原理：原理：全反射全反射 结构：结构：纤芯的折射率纤芯的折射率大于包层的折射率大于包层的折射率21nn 光导纤维的原理光导纤维的原理 （3）数值孔径）数

22、值孔径cinNAsin0 表示光纤收集光线的能力。表示光纤收集光线的能力。光纤单根光线不能传输未经单根光线不能传输未经处理的图像处理的图像依靠集束光纤传依靠集束光纤传输图像输图像利用全反射棱镜改变光路利用全反射棱镜改变光路 3、利用全反射改变光路利用全反射改变光路4、光在渐变折射率介质中传播、光在渐变折射率介质中传播曲线传播曲线传播海市蜃楼海市蜃楼 光在渐变折射率介质中传播光在渐变折射率介质中传播001122coscoscosnnn常量001122sinsinsinninini常量90i 4、光在渐变折射率介质中传播、光在渐变折射率介质中传播 conn 光在渐变折射率介质中传播光在渐变折射率介

23、质中传播( )cos ( )n rr常量有几何关系，得有几何关系，得则则dndrnddz得得222220012cosd rdndzndr1ddndzn dr最后得最后得 tannddntandzdr三、棱镜与色散三、棱镜与色散1、色散色散：折射角随波长而不同折射角随波长而不同 色散光谱，分光色散光谱，分光 2 2、三棱镜：三棱镜：横截面是三角形棱镜横截面是三角形棱镜 三棱镜的折射三棱镜的折射 3、 偏向角：偏向角： 11ii2221 sinsinisinisinnmin 三棱镜的折射三棱镜的折射5、三棱镜折射率、顶角与最小偏向角的关系三棱镜折射率、顶角与最小偏向角的关系 21sinsinini

24、 此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行 1122,iiii亦当当已知已知n，可求，可求最小偏向角最小偏向角；测量；测量最小偏向角，可得到最小偏向角，可得到n。6、棱镜作用棱镜作用(2) (2) 色散色散 重要的分光元件重要的分光元件 两类光谱仪之一两类光谱仪之一(1) (1) 改变光路改变光路 科研、军事、生产、航天等科研、军事、生产、航天等 三棱镜的色散三棱镜的色散 四、光路的可逆性原理四、光路的可逆性原理 光路的可逆性原理光路的可逆性原理 3 惠更斯原理惠更斯原理1、光线光线 ：光能量的传播方向的几何线光能量的传播方向的几何线

25、 S理想模型：理想模型：不是细光束不是细光束2、波面：光波相位相等的各点构成的面、波面：光波相位相等的各点构成的面波前：最前面的那个波面波前：最前面的那个波面 均匀各向同性介质：均匀各向同性介质：直线直线非均匀介质：非均匀介质：曲线曲线02nk 3 3、单心（同心）光束单心（同心）光束 物点为顶点的发散光束，其波物点为顶点的发散光束，其波面为球面。面为球面。 物点为顶点的发散光束物点为顶点的发散光束 一、波的几何描述一、波的几何描述波矢量：波矢量：波面与波线波面与波线 二、惠更斯原理的表述二、惠更斯原理的表述惠更斯原理惠更斯原理 “媒质中波传到的各点，都可看作开始发射球面子波媒质中波传到的各点

26、，都可看作开始发射球面子波( (次级波次级波) )的的子（次）波源子（次）波源，在以后的任一时刻，这些子波面的包络面就，在以后的任一时刻，这些子波面的包络面就是新的波前是新的波前 ” ”。若媒质若媒质均匀、各向同均匀、各向同性性 , ,各子波都是以波速各子波都是以波速 u u 向外扩展的球面波向外扩展的球面波。例：已知例：已知 t 时刻的波面，得出时刻的波面，得出 t + t 时刻的波面时刻的波面, 就可得出波的传播方向就可得出波的传播方向 .平面波平面波t+ t 时刻波面时刻波面u tt 时刻波面时刻波面t + t球面波球面波t不足不足: (1) 不能说明子波为何不能倒退不能说明子波为何不能

27、倒退 .(2)不能正确说明某些波动现象不能正确说明某些波动现象(如干涉等如干涉等)实验说明了惠更斯原理的正确性。实验说明了惠更斯原理的正确性。根据惠更斯原理，用作图法可求出折射波的传播方向。根据惠更斯原理，用作图法可求出折射波的传播方向。作图法共分四步作图法共分四步 :(1)画出入射波的波面画出入射波的波面AB2. 波的折射波的折射u1u1 tFDriACtuBCsin1 (2)画子波的波面画子波的波面rACtuADsin2 (3)画子波波面的包络面画子波波面的包络面(4)画折射波的传播方向画折射波的传播方向u2 tu2折射波传播方向折射波传播方向入射波入射波AECi法线法线媒质媒质1、折射率

28、折射率n1媒质媒质2、折射率折射率n2B1. 波的反射（略）波的反射（略）三、惠更斯原理对反射定律和折射定律的解释三、惠更斯原理对反射定律和折射定律的解释56iACtuBCsin1rACtuADsin221sinsinuuri rninsinsin21折射定律折射定律12sinsinnnri 2211ucnucn，绝对折射率定义绝对折射率定义即即导出折射定律导出折射定律得四、直线传播问题四、直线传播问题大孔径障碍物大孔径障碍物光的传播方向光的传播方向 用惠更斯原理解释光直进性：在包络面两侧用惠更斯原理解释光直进性：在包络面两侧D和和C以外的以外的扰动是可以忽略不计，所以扰动是可以忽略不计，所以

29、QAC和和QBD就是通过孔隙的边缘就是通过孔隙的边缘光线，它们都是直线。但光线，它们都是直线。但CD两侧为什么有次波存在？两侧为什么有次波存在？用惠更斯原理不能完满解释光的衍射用惠更斯原理不能完满解释光的衍射 五、光的衍射问题五、光的衍射问题衍射问题衍射问题衍射问题衍射问题小孔径障碍物小孔径障碍物光的传播方向光的传播方向 波达到狭缝处，缝上各点都可波达到狭缝处，缝上各点都可看作子波源，作出子波包络，得看作子波源，作出子波包络，得到新的波前。在缝的边缘处，波到新的波前。在缝的边缘处，波的传播方向发生改变。的传播方向发生改变。当狭缝缩小，与波长相当狭缝缩小，与波长相近时，衍射效果显著。近时，衍射效

30、果显著。水波的衍射水波的衍射开孔越小，衍射现象越明显开孔越小，衍射现象越明显 惠更斯原理的局限性：未能完满地解释波的直进性与衍射现惠更斯原理的局限性：未能完满地解释波的直进性与衍射现象的矛盾。象的矛盾。本质：波长远小于孔隙线度，光的直进性才近似成立。本质：波长远小于孔隙线度，光的直进性才近似成立。4 4 费马原理费马原理 定义：定义： 光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积()QPLQ Pn d liiiQ Pnl光程光程 一、光程一、光程c)QMNP(clnliiiiiiQP 光程：光程： 在相同时间在相同时间内光线在真空中传内光线在真空中传

31、播的距离播的距离1 1、文字表述：、文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。光沿着所需时间为极值的方向传播。 或：或： 光沿着光程为极值的方向传播。光沿着光程为极值的方向传播。2、数学表述数学表述： 0QPdsv实际路径上，时间变分为零实际路径上，时间变分为零 极极值值极大极大极小极小恒定恒定或或0QPnds实际路径上，光程变分为零实际路径上，光程变分为零 二、费马原理的表述二、费马原理的表述实际光程实际光程QMNP，就是它小于（或大于）附近路径的光程，就是它小于（或大于）附近路径的光程QMNP光程为极值的例子光程为极值的例子:BCDAEB由由A A点发出的光线经界面点发出的光线经界面D D点反射后点反射后通过通过B B点点, ,符合反射定律符合反射定律, ,其光程较其光程较其他任一光线其他任一光线AC