光学新概念第一章

1、光学新概念第一章第1页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1 光和光的传播1、萌芽时期 (公元前5世纪公元15世纪末) 人眼发出的触须样；物体发出的争论2、几何光学时期 (AC16AC18世纪) 微粒说；波动说；微粒说占上风因为牛顿太伟大了 3、波动光学时期 (AC1920世纪初) 1865，麦克斯韦方程：电磁波波速为C光也是电磁波 1888，赫兹实验： 弹性媒质以太中的横波 成就：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。 遗留问题：以太的问题；光波到底是什么波？ 第一章 光和光的传播一、光的本性(绪论)第2页，共62页，2022年，5月2

2、0日，17点25分，星期一4、量子光学时间（19001960）光的粒子性 黑体辐射、光电效应、康普顿效应等光的波动性 大量的干涉、衍射、偏振现象德布罗意物质波 每一物质粒子都与一定波相联系 戴维孙革未电子衍射实验 1927年光的波粒二象性 E=h ； P=h/玻恩 1925年，波粒二象性的几率解释概率波5、现代光学时期 (20世纪60年代开始)关于光的本性至今答案没有令人满意的答案 第3页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1、热辐射 2、光的非热发射温度辐射在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射电致发光电场补给能量日光灯荧光电磁波或电子束作用下电子显象管磷光受电磁波或电子束

3、作用后的持续发光夜光表指针化学发光化学反应“鬼火”生物发光特殊类型的化学反应萤火虫 一些基本概念二、光源与光谱第4页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一光速常数单色光谱线宽度： 可见光:波长范围可见光：390 760 nm；频率范围： 连续光谱 线光谱 第5页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一复色光谱密度元素谱线波长/nm颜色 钠（Na）589.0，589.6黄（D双线）汞（Hg）404.7，407.8435.8546.1（最强）577.0，579.1紫蓝绿黄镉（Cd）634.8红氪（Kr）605.7橙典型谱线 第6页，共62页，2022年，5月20日

4、，17点25分，星期一 光强度坡印亭矢量：电磁波的能流密度、平面电磁波是横波 平面电磁波是横波坡印亭矢量的大小 关系式第7页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一光强度波动观点 电磁波的平均能流密度S所以，通常只写：对同一介质 第8页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1、几何光学 线 直线传播、反射、折射、成像 应用光学2、波动光学 波 干涉、衍射、偏振、光速介质波3、量子光学 粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应 光子 德布罗意波概率波波粒二象性4、现代光学 光子学 激光、光纤通信、非线性光学 集成光学、信息光学、超快速光学光子计算机 并行、宽带、高速

5、、准确 梦 三、光学的研究对象、分支与应用(绪论课已经详细讨论)第9页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一2 光的几何光学传播规律 1、直线传播定律：各向同性均匀介质 物体的影子 针孔成像 一、几何光学三定律第10页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一2、反射定律 与 n 无关；无色散。即不同，同一入射角， 则，反射角i 相同 则 ， 对称：光路可逆 漫反射现象之解释(1) 文字表述（略）(2) 数学表式(3) 讨论： 光的反射与折射 第11页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一(3) 讨论 光疏媒质与光密媒质之相对性 全反射: 条件

6、3、折射定律(2) 数学表式(1) 文字表述（略）； 色散现象光纤通信原理全反射(4) 应用：改变光路方向：航天器、精密光学仪器等 光的折射 第12页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1、全反射 当入射角达到某一值（临界角）时，不再有折射光而全部被反射全反射，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。 光纤通信就是利用全反射原理 全反射二、全反射 光学纤维（光导纤维） 第13页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一2、光导纤维 光学纤维 原理：全反射 结构：纤芯的折射率大于包层的照射率 光导纤维的原理 第14页，共62页，2022年

7、，5月20日，17点25分，星期一利用全反射棱镜改变光路 3、利用全反射改变光路第15页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 光在渐变折射率介质中传播 4、光在渐变折射率介质中传播海市蜃楼第16页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 光在渐变折射率介质中传播有几何关系，得则得最后得 第17页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1、色散：折射角随波长而不同 色散光谱 2、三棱镜：横截面是三角形棱镜3、三棱镜的最小偏向角 三棱镜的折射 三、棱镜与色散当有第18页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一四边形 AEOFA4、

8、最小偏向角的求法 在 中 三棱镜的折射 在 中 在 中 第19页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一为定值,则 极值条件,则 三棱镜的折射最小偏向角 第20页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一根据折射定律： 第21页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一因此必须由 得 得 由 带入得 第22页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 三棱镜的折射5、三棱镜折射率、顶角与最小偏向角的关系 此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行 第23页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一6、棱镜作用(2)

9、 色散 重要的分光元件 两类光谱仪之一(1) 改变光路 科研、军事、生产、航天等 三棱镜的色散 第24页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一四、光路的可逆性原理 光路的可逆性原理 第25页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一3 惠更斯原理1、光线 ：光能量的传播方向的几何线 理想模型：不是细光束2、波面：光波相位相等各点构成的面波前：最前面的那个波面 均匀各向同性介质：直线非均匀介质：曲线3、单心（同心）光束 物点为顶点的发散光 束，其波面为球面 物点为顶点的发散光束 一、波的几何描述第26页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一波面与

10、波线 第27页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一二、惠更斯原理的表述三、惠更斯原理对反射定律和折射定律的解释（烦琐：略去P16-17）惠更斯原理 次波OR 子波 第28页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 用惠更斯原理解释光直进性 四、直线传播问题大孔径障碍物光的传播方向第29页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一用惠更斯原理可以定性解释光的衍射 五、光的衍射问题衍射问题衍射问题小孔径障碍物光的传播方向第30页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一水波的衍射开孔越小，衍射现象越明显 第31页，共62页，2022年

11、，5月20日，17点25分，星期一4 费马原理 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程 一、光程第32页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1、文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。 或： 光沿着光程为极值的方向传播。2、数学表述： 实际路径上，时间变分为零 极值极大极小恒定或实际路径上，光程变分为零 费马原理 二、费马原理的表述第33页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1、反射定律由费马原理推导反射定律 三、由费马原理推导 几何光学三定律假设在入射面内有两条光线：QMP 和QMP显然，光程 QMPQMP 即QMP最短！由于镜像对

12、称，有光程 QMP QMP（1）定性证明 反射定律第34页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一设光源 面上 接收器 面上 XOZ 面上入射点 面上，即分界面是 XOY 面（2）定量证明 反射定律光源接收器入射点 应用费马原理证明反射定律 第35页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一总光程 由 得 即 由 得 而 光源接收器入射点即 则 应用费马原理证明反射定律 第36页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一2、折射定律由费马原理推导折射定律 两条物像光线 QMP ；QMP显然，光程 QM QM PM PM 即QMP最短！设：QQ分界面；

13、PP 分界面注意 MM QP（1）定性证明折射定律第37页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一由费马原理推导折射定律 物像光程： QMP为 得（2）定量证明 折射定律第38页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一5 光度学基本概念1、辐射通量（客观量） 定义：文字表述； 单位：瓦（W ）； 符号= () 附近 内： 为辐射通量谱密度 一、辐射通量和光通量（主、客观量） 光源表面光度学辐射度量学研究发光强弱的学科；研究各种电磁辐射强弱的学科；第39页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 2、光谱的响应曲线 （光电仪器）客观辐射通量引起光电

14、仪器（不同器件）响应灵敏度的物理量不同光电器件的响应灵敏度第40页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一3、视见函数 （客、主观量） 视见函数的表式 含义：客观辐射通量引起人眼 主观视觉强度的物理量/ 视见函数曲线 第41页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一/nm 辐射能量对波长的分布函数 视见函数曲线 大自然的造化！ /第42页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1瓦特555nm的(客观)辐射通量相当于683流明的光通量(主、客观量) (1) 定义：辐射通量与视见函数的乘积； 单位：流明 ；符号: lm ；(2) 数学表式最大光谱光

15、视效能 (最大功光当量) Km的物理意义/nm辐射能量对波长的分布函数(3) 光谱光视效能 功光当量4、光通量 (客、主观量) 第43页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一*(5)电光源（辐射体）发光效率 遍计发光效率*(4) 光源的光通量表式单色光复色光 第44页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一用 I 表示，单位是 坎德拉（cd ），简称“坎” 1、含义：光源在一定方向范围内发出光通量 的空间分布（客、主观量）2、量度方法：点光源在单位立体角中发出的光通量的数值数学表式I 应当是可以测量发光强度是SI制7个基本物理量之一 发光强度物理意义 二、发光

16、强度与亮度第45页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一电灯发光强度的角分布 第46页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一发光强度数学表式立体角的计算方法 球坐标下立体角的求法 立体角的几何意义 第47页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一点光源（沿某一 i 方向）的发光强度 球坐标下立体角的求法 第48页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 1881年,“烛光”，国家电工技术委员会（用蜡烛发光） 1909年，“国际烛光”，英法美协议，白炽灯 1937年，国际计量委员会（CIPM）， 规定“新烛光”：执行 1948年

17、，第九届国际计量大会。 规定“坎德拉”为发光强度单位 我国1979年，建立铂凝固点黑体光度基准，0.3% 3、光度学基准的界定及其演变 烛光发光强度 第49页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 坎德拉是频率为 的单色辐射源， 在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为 1/683 瓦特/ 球面度。（W/sr）（主、客观量） 注：540.0154Hz的辐射在空气中波长为550nm，即黄绿光4、发光强度坎德拉的最新定义（1979年10月，第十届国际计量大会通过）1（cd）坎德拉=1/683瓦特/ 球面度（W/sr） (555nm) =1流明/ 球面度（lm/sr） (55

18、5nm) 1(W)瓦特(555nm)辐射通量相当于683流明的光通量 第50页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1、定义发光面法线方向上单位面积之发光强度亮度的单位：熙提（sb）即：流明每平方米球面度亮度主客观量： 发光表面的发光强度分布 亮度的含义 2、计算：r 方向上的亮度第51页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一1、余弦发光体朗伯定律朗伯光源的含义 朗伯光源的物理意义: 各个方向的亮度相同 即：L 与 无关 三、余弦发光体和定向发光体朗伯光源也就是余弦 发光体 朗伯光源的亮度 第52页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 球面朗伯光源的亮度 2、朗伯光源亮度的计算按照亮度的定义 朗伯定律球面朗伯光源dS，其法线方向亮度为（1）球面朗伯光源的亮度 第53页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 球面朗伯光源的亮度 得球面朗伯光源的亮度 结论球面朗伯光源的亮度与方向无关！ 任意方向（比如，与赤道平面垂直方向）亮度为按照朗伯定律和第54页，共62页，2022年，5月20日，17点25分，星期一 平面朗伯光源的亮度 （2）平面朗伯光源亮度的计算法线方向亮度的计算任意方向亮度的计算按照朗伯定律 结论平面朗伯光源的亮度也与方向无关！ 第55页，共62页，2022年，5月20日，17点