第章光和光的传播

1光的衍射目前一页\总数六十四页\编于十八点2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。目前二页\总数六十四页\编于十八点散射-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大气层，经历大气层的厚度要比中午大得多。目前三页\总数六十四页\编于十八点4绪论日晕现象目前四页\总数六十四页\编于十八点日晕是一种大气光学现象，是日光通过卷层云时，受到冰晶的折射或反射而形成的。当光线射入卷层云中的冰晶后，经过两次折射，分散成不同方向的各色光。有卷层云时，天空中会飘浮着无数冰晶，在太阳周围同一圈上的冰晶，都能将同一种颜色的光折射到人的眼睛里形成内红外紫的晕环。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、内红外紫的彩色光环，有时还会出现很多彩色或白色的光点和光弧，这些光环、光点和光弧统称为晕。“日晕”多出现在春夏季节。民间有“日晕三更雨，月晕午时风”说法。由于蕴含冰晶的高云一般是雷雨天气入侵的“先锋”，所以日晕的出现，往往预兆着天气在短时间内便会转坏。目前五页\总数六十四页\编于十八点AppliedOptics6海市蜃楼目前六页\总数六十四页\编于十八点海市蜃楼是一种因光的折射而形成的自然现象。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。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，即出现下冷上暖的反常现象（正常情况是下暖上凉，平均每升高100米，气温降低0.6℃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。目前七页\总数六十四页\编于十八点8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，是由于日晕两侧的对称点上，冰晶体变成无数面小镜子，这些小镜子纷纷反射阳光，显得特别明亮，便会出现几个太阳的虚像，这就是奇特的“幻日”了。如果气象条件合适，我们有时能看到太阳的上下左右对称点各有一个幻日，那天空就会有五个“太阳”。幻日现象目前八页\总数六十四页\编于十八点偏振第六章变换光学与全息照相第五章衍射第四章干涉第三章几何光学成像第二章

光和光的传播第一章物理光学与应用光学(48学时)光与物质的相互作用光的量子性第七章9目前九页\总数六十四页\编于十八点§2光的几何光学传播规律§3光的波动光学传播基础——惠更斯原理§4费马原理§5光度学基本概念§1

光和光的传播第一章光和光的传播新概念物理教程光学目前十页\总数六十四页\编于十八点§1光和光的传播1、几何光学时期(AC16～AC18世纪)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，纵波微粒说占上风——因为牛顿太伟大了……

2、波动光学时期

(AC19～20世纪初)

杨氏和菲涅耳的波动理论：横波，解释干涉、衍射、偏振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。

★出现问题：黑体辐射、光电效应、康浦顿效应

一、光的本性目前十一页\总数六十四页\编于十八点牛顿惠更斯目前十二页\总数六十四页\编于十八点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托马斯·杨赫兹目前十三页\总数六十四页\编于十八点黑体辐射：所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领。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。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。光电效应：在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。与光强无关只与频率有关。康普顿效应：短波电磁辐射(如X射线，伽玛射线)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，还出现波长向长波方向移动的散射现象。目前十四页\总数六十四页\编于十八点目前十五页\总数六十四页\编于十八点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·爱因斯坦目前十六页\总数六十四页\编于十八点3、量子光学时期（1900～1960）①光的粒子性：解释黑体辐射、光电效应、康普顿效应等②光的波动性：解释大量的干涉、衍射、偏振现象③爱伊斯坦提出光的波粒二象性：

E=hν

；

P=h/λ

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。4、现代光学时期(20世纪60年代开始)激光光学，非线性光学，光纤光学，薄膜光学，信息光学关于光的本性——···至今答案没有令人满意的答案

目前十七页\总数六十四页\编于十八点光学近代进展管窥

上世纪中叶开始：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、光计算机.傅里叶光学及光学信息处理4-f空间滤波系统运动引起模糊消模糊目前十八页\总数六十四页\编于十八点图像锐化傅里叶光学及光学信息处理目前十九页\总数六十四页\编于十八点全息学目前二十页\总数六十四页\编于十八点激光目前二十一页\总数六十四页\编于十八点纤维光学及光通信目前二十二页\总数六十四页\编于十八点光通信—自由空间互连目前二十三页\总数六十四页\编于十八点集成光学与光计算机目前二十四页\总数六十四页\编于十八点1、热辐射

★温度辐射——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、白炽灯等目前二十五页\总数六十四页\编于十八点

2、光的非热发射★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⑴一些基本概念电致发光---

闪电发光二极管等光致发光---荧光物质磷光物质化学发光---

燃烧萤火虫目前二十六页\总数六十四页\编于十八点日光灯两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出柔和的可见光。

夜光表是用夜光粉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硫化锌为基质，它本身不发光，只是具有磷光特性，即在阳光或灯光照射后得到激发，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磷化氢，是可以自燃的气体，重量轻，风一吹就会移动.

萤火虫的发光，简单来说，是荧光素（luciferin）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能量。目前二十七页\总数六十四页\编于十八点★光速——常数★单色光——谱线宽度：★可见光:波长范围频率范围：

连续光谱

线光谱

紫外光：几nm~360nm；红外光：760nm~0.1mm光包括紫外光、可见光、红外光。目前二十八页\总数六十四页\编于十八点★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橙典型谱线目前二十九页\总数六十四页\编于十八点⑵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

★关系式目前三十页\总数六十四页\编于十八点★光强度——波动观点

——电磁波的平均能流密度S，功率密度对同一介质，取相对值

目前三十一页\总数六十四页\编于十八点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……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、准确……梦

三、光学的研究对象、分支与应用目前三十二页\总数六十四页\编于十八点§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

小孔成像

一、几何光学三定律目前三十三页\总数六十四页\编于十八点2、反射定律①与

n无关；无色散。即不同介质，同一入射角，则，反射角i’

相同

则，对称：光路可逆③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

目前三十四页\总数六十四页\编于十八点(3)讨论②光疏媒质与光密媒质之相对性3、折射定律(2)数学表式(1)文字表述（略）；①色散现象

光的折射

几何光学三定律在空间障碍物以及反射和折射界面尺寸远大于光的波长时才成立；界面的平整度在波长尺寸内。目前三十五页\总数六十四页\编于十八点1、全反射⑴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⑵利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。⑶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）

目前三十六页\总数六十四页\编于十八点2、光导纤维——光学纤维⑴原理：全反射⑵结构：纤芯的折射率大于包层的折射率

光导纤维的原理

（3）数值孔径表示光纤收集光线的能力。目前三十七页\总数六十四页\编于十八点光纤单根光线不能传输未经处理的图像依靠集束光纤传输图像目前三十八页\总数六十四页\编于十八点利用全反射棱镜改变光路

3、利用全反射改变光路目前三十九页\总数六十四页\编于十八点4、光在渐变折射率介质中传播——曲线传播海市蜃楼目前四十页\总数六十四页\编于十八点目前四十一页\总数六十四页\编于十八点

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目前四十二页\总数六十四页\编于十八点

光在渐变折射率介质中传播有几何关系，得则得最后得

目前四十三页\总数六十四页\编于十八点三、棱镜与色散1、色散：折射角随波长而不同——

色散光谱，分光目前四十四页\总数六十四页\编于十八点目前四十五页\总数六十四页\编于十八点2、三棱镜：横截面是三角形棱镜

三棱镜的折射

3、偏向角：目前四十六页\总数六十四页\编于十八点

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★当已知n，可求最小偏向角；测量最小偏向角，可得到n。目前四十七页\总数六十四页\编于十八点6、棱镜作用(2)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

目前四十八页\总数六十四页\编于十八点四、光路的可逆性原理

光路的可逆性原理

目前四十九页\总数六十四页\编于十八点§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：光波相位相等的各点构成的面．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、波的几何描述波矢量：目前五十页\总数六十四页\编于十八点波面与波线

目前五十一页\总数六十四页\编于十八点二、惠更斯原理的表述惠更斯原理

“媒质中波传到的各点，都可看作开始发射球面子波(次级波)的子（次）波源，在以后的任一时刻，这些子波面的包络面就是新的波前”。若媒质均匀、各向同性

,各子波都是以波速u向外扩展的球面波。目前五十二页\总数六十四页\编于十八点例：已知t时刻的波面，得出

t+

t时刻的波面,

就可得出波的传播方向.平面波t+t时刻波面····utt时刻波面·······t+t球面波t不足:(1)不能说明子波为何不能倒退

.(2)不能正确说明某些波动现象(如干涉等)实验说明了惠更斯原理的正确性。目前五十三页\总数六十四页\编于十八点根据惠更斯原理，用作图法可求出折射波的传播方向。作图法共分四步:(1)画出入射波的波面AB2.波的折射u1u1t··FDr(2)画子波的波面(3)画子波波面的包络面(4)画折射波的传播方向u2tu2折射波传播方向入射波A··E·Ci法线媒质1、折射率n1媒质2、折射率n2B1.波的反射（略）三、惠更斯原理对反射定律和折射定律的解释目前五十四页\总数六十四页\编于十八点折射定律绝对折射率定义即导出折射定律得55目前五十五页\总数六十四页\编于十八点四、直线传播问题大孔径障碍物光的传播方向

用惠更斯原理解释光直进性：在包络面两侧D和C以外的扰动是可以忽略不计，所以QAC和QBD就是通过孔隙的边缘光线，它们都是直线。但CD两侧为什么有次波存在？目前五十六页\总数六十四页\编于十八点用惠更斯原理不能完满解释光的衍射

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

波达到狭缝处，缝上各点都可看作子波源，作出子波包络，得到新的波前。在缝的边缘处，波的传播方向发生改变。当狭缝缩小，与波长相近时，衍射效果显著。目前五十七页\总数六十四页\编于十八点水波的衍射——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。目前五十八页\总数六十四页\编于十八点§4费马原理

定义：光在介质中的几何路径长度与该介质折