第一章光和光的传播.ppt

1、为了更好地了解光学课程的意义，光学课程作为科学研究前沿的热门学科，是许多光学相关交叉学科的基础启蒙课程，如光电子技术、激光原理与技术、量子光学、信息学光纤光学、集成光学、光谱学、光子开关全息光存储技术、光纤通信技术原理、非线性光学、晶体光学、原子光学、光电信号检测技术等。光学课程的特点，新内容，中学不多，光学发展迅速，新内容层出不穷，分支很多：几何光学，干涉，衍射，偏振，光与物质的相互作用。有将近200个公式。课程安排特点：侧重于物理光学(干涉、衍射、偏振)，如何学好光学课程，课前预习，按时听课，及时复习，独立回答问题，参考书，新概念物理课程，光学赵凯华，光学学士，光学赵凯华，钟西华，光学祖国

2、光，光学原理诞生(称为光学圣经)，第一章光与光传播，1.1光学发展与光的本质，至少90%的人类感官从外界接收到的信息是通过眼睛传递的；光学是一门古老的学科，也是一门新兴的学科。激光诞生后，光学开始迅速发展，成为科学研究最前沿的一个极其活跃的学科。有五个时期。首先，在公元前500年和公元1500年，像镜子、眼镜和幻灯片这样的光学元件相继出现。杨髓取火与金属凹面镜；(2)公元前4世纪，墨家进行了针孔成像和面镜成像实验，并进行了分析和解释。(3)克莱姆德斯和托勒密(约托勒密，90-168)研究了光的折射；(4)培根(R .培根，1214-1294)提出了用透镜矫正视力和用透镜组构造望远镜的可能性，阿

3、玛蒂发明了眼镜。中国古代铜镜，2。几何光学的时期是15001800年，大约300年，1。斯内尔和笛卡尔建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基础；2.牛顿、伽利略和其他人开发了光学仪器，如望远镜和显微镜；3.以牛顿为代表的粒子理论占据了主导地位；4.折射定律的解释是错误的。与折射定律相比，牛顿的反射望远镜具有以下优点：光在光密介质中的速度更快；3.波动光学时期1800-1900，近100年1。托马斯杨通过实验成功地解释了光的干涉现象；2.惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象；3.菲涅耳公式成功地解释了光的偏振。4.麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波；1888年，赫兹实验发现电磁波和光波具

4、有相似的性质。5.福柯的实验证明光在水中传播的速度小于在空气中传播的速度。6.波动光学的理论体系已经形成，光的波动理论克服了光的粒子理论。4.在1900-1950年的量子光学时期，惠更斯-菲涅尔波理论在近50年来有了一种机械色彩，认为光是在弹性介质中传播的弹性波。光的电磁理论的主要困难在于它不能解释光与物质相互作用的某些现象，例如，热黑体辐射中能量按波长分布的问题；3.1900年，普朗克提出了能量量子理论，并成功地解释了黑体辐射问题。4.爱因斯坦提出了光量子理论，成功地解释了光电效应。光有两个互补的性质：传播过程中的波动、粒子与其他物质的相互作用、光的波粒二象性和光的性质。5.1950年至今的

5、现代光学时期。1.全息术、光学传递函数和激光的出现是从经典光学向现代光学过渡的标志。2.光学恢复了活力。以前所未有的规模和速度快速发展1)智能光学仪器2)全息术3)光纤通信4)光学计算机5)激光光谱学实验方法6)微纳光学(亚波长光学)，l/8l/14成像分辨率，王等，自然2，218 (2011)，1)任何发光物体2)可见光波长范围：频率：光在真空中的速度：对应的频率范围：1.2光源和光谱、3)光强：单位面积平均光功率或光的平均能量流密度4)光强表达式：相对介电常数和相对磁导率分别为真空介电常数和真空磁导率。电磁波在真空中的波动方程：可用：在不同的介质中：在相同的介质中：5)相对光强：注意：光强

6、是一个平均值，6)光强被定义为一个平均值的原因，响应时间：需要感知或记录的最短时间，人眼的响应时间：最佳仪器的响应时间是：光波的振动周期：人眼和接收器只能感知光波。(2)光谱密度：(3)光谱：光谱密度随波长变化的分布曲线；(4)连续光谱：光谱随波长变化的连续分布称为连续光谱；(5)线谱：光谱集中在某些离散波长范围内的线性谱线称为线谱。谱线宽度：每个谱线在其半强度值处的波长间隔称为谱线宽度。它越小，光波的单色性越好。连续光谱，线谱，几种元素的普通光源的典型谱线，1.3光学的研究对象、分支和应用，它是一门研究光的性质、光的产生和传播、光和物质之间的相互作用及其在科学研究和技术中的应用的科学。几何光

7、学：(尺度比光的波长大得多，所以它的波动效应不明显)、波动光学、研究光的波动的学科(干涉、衍射、偏振)、量子光学、研究光与物质的相互作用(分子和原子尺度)、现代光学、激光全息傅里叶和非线性光学，从光的直接、反射和非线性光学开始，物理学家们谈论光学、光学现象背后的物理原理，就我们书中所涉及的那些而言，它们在1900年以前已经大体上系统地形成了。从那时起，光学和其他物理学部门一样，由于能量量子的发现而经历了一场彻底的革命。尽管这一发现深刻地影响了我们对光的本质的看法，但它并没有使早期的理论和技术变得无用；它只是揭示了他们能力的局限，并决定了他们的有效范围。旧的原则和方法，以及它们在许多不同情况下的

8、应用，一直在不断扩大，并且仍在扩大，势头不减。光学原理，物质世界是有等级的，反映物质世界的物理定律也是有等级的。物理学的每一个层次都植根于更深的物理学。然而，从真正意义上来说，物理学的每一个层次都是无穷无尽的。面对自然的丰富多彩，那些断言某一学科不会有任何发展的人总是被事实击碎。由于量子力学和量子电动力学的发展，经典力学和经典电动力学并没有被排除在物理学之外。近年来，我们一直在学习他们新的和深刻的进步。在过去的半个世纪里，光学和凝聚态物理的巨大发展提供了最令人信服的例子。甘，世纪之交的物理学，物理学家谈光学，2。光的几何光学传播定律，2.1几何光学三定律，2.2全反射定律，2.3棱镜和色散，2

9、.4光的可逆性原理，光在均匀介质中直线传播。2.1几何光学三定律，(1)光的线性传播定律：例如：物体的阴影，针孔成像，例如：海市蜃楼，海市蜃楼是一种折射现象。由于表面附近垂直方向上的空气密度的剧烈变化，一些远处的物体在某个区域形成图像来代替它们的真实位置。这些图像被扭曲、倒置或摇摆。空气密度与气压、温度和水蒸气含量密切相关。低于真实物体的幻影出现了；海市蜃楼(Superiormirages)出现在真实物体之上。(2)光的反射和折射定律，反射和折射光线都在入射平面内。注：1)任何达到真空的折射率称为介质的绝对折射率；2)折射率较大的介质称为光学致密介质，折射率较小的介质称为光学稀疏介质；3)适用

10、条件：只有当反射和折射面积远大于光的波长时，上述定律才成立。斯内尔定律表明，介质的折射率不仅与介质的类型有关。在同一介质中，长波的折射率小，短波的折射率大。溶液：中，水相对于空气的折射率是，根据折射定律，存在，实例1在水中的深度Y处具有发光点Q，让QO垂直于水面，并计算出离开水面的折射线的延长线与QO的交点的深度和入射角之间的关系。上述公式表明，从Q点开始不同方向的光线折射延伸线不再相交于同一点。然而，对于那些接近法线方向的光线，如果忽略的高阶很小，则它与入射角无关，即折射线的延长线近似与同一点相交，其深度是原始发光点的深度。以实例2为作图法，求出球面上任何入射光线的折射线，证明了：(1)正弦

11、定律与HCM定律相似，(2)三角形相似，HCM和MCH，当光从光密介质中射出时，当入射角增大到某一临界值时，折射光线消失，所有光线都被反射。这种现象被称为全反射。2.2全反射定律，全反射临界角：空气对玻璃的应用，临界角和全反射1-全反射棱镜，用全反射棱镜改变光的方向，能量损失比用普通平面镜小得多。参见P10图1-9，全反射2-光纤的应用，(1)棱镜：由透明介质制成的棱镜称为棱镜，(2)三棱镜，具有三棱镜截面的棱镜称为三棱镜，(3)主截面，垂直于边缘的平面称为棱镜主截面，(4)偏转角，(2.3)棱镜和色散，折射率，并求出其最小值。从F，A和最小偏转角的求导中，我们可以得出，当存在时，介质的折射率

12、不仅与介质的种类有关，还与光的波长有关在同一介质中，长波的折射率小，短波的折射率大。当一束白光入射到两种介质之间的界面上时，不同波长的光在折射时会发生色散，这就是色散。棱镜分光仪中的色散元件色散棱镜利用介质的这一特性来色散多波长的多色光。光路的可逆性原理：当光的方向反向时，它将反向传播，这被称为光路的可逆性原理。3。惠更斯原理，3.1波的几何描述3.2惠更斯原理的表达3.3反射定律和折射定律的解释3.4光的直线传播3.1波的几何描述(1)波：空间中扰动的传播(2)波面：同一振动源的波场中同时到达的所有点具有相同的相位并满足上述条件的振动轨迹(3)波线：在波场中画出一个线族，每个点的切线方向代表

13、变化点波扰动的传播方向。(4)球面波、平面波、波面、波浪线、球面波、平面波、3.2惠更斯原理。在时间T，振动源发出的波扰动到达波面S，惠更斯提出S上的每个面元都可以作为二次波的波源，而面元发出的二次波延续了惠更斯原理，原理的优点：它提出了亚波概念原理的缺点：它不能给出新的波面的强度分布，3.3惠更斯原理解释了反射和折射的规律、 如图所示，如果有：假设，那么就有：也就是说，惠更斯原理解释了反射和折射定律，惠更斯原理解释了3.4的问题费马原理，4.1光路的定义：如图所示，有：在均匀介质中，有：在m个不同的介质中，在折射率连续变化的介质中：4.2光在介质中传播的光路等于在真空中传播的几何路径，这证明

14、4.3具有相同的光路和包含相同的波数。4.4位相位差与光路差成正比。 点Q处的振动方程和点P处的振动方程是：其中波矢量定义为：如果它的方向是沿着波、Q、P和光路的传播方向，则存在：它的物理意义是：并且可以通过比较它们的光路来研究两种振动的差异。 相位差：光在两个指定点之间传播，实际光路总是一个极值(最小值、最大值或常数)。费马原理是几何光学的基本原理，从费马原理可以推导出几何光学中的三个重要定律，即直线传播定律、反射定律和折射定律。4.5费马原理的表达，(P，Q是两个不动点)，光在均匀介质中的直线传播规律是费马原理的明显结论。考虑由q发射并通过反射表面到达p的光。从q到p的任何可能路径QMP的

15、长度等于QMP相对于反射表面上p的对称点p的长度。显然，直线质量管理计划是最短的，所以路径质量管理计划的长度是最短的。根据费马原理，质量管理计划是光的实际路径。从对称性分析不难看出，(1)反射定律，4.6由费马原理导出的几何光学的三个定律，(2)折射定律，折射面，功，共面()，考虑光从甲到乙通过折射面上的任何一点，从工作的垂直线到垂直脚，考虑光从甲到乙通过折射，(1)，在平面上，使得可见光的最短路径应该在平面上，也就是说，折射光线在入射平面上。在均匀介质中，两点之间(直传播)、两点被平面反射和两点被平面折射的实际光路都是光路取最小值的情况。当成像系统的物点和像点之间的光路取稳定值时。5。光度学

16、的基本概念，1)光度学和辐射测量学，光度学：一门研究光强度的学科，辐射测量学：一门研究各种电磁辐射强度的学科，2)辐射能量通量(辐射功率)和辐射能量通量的光谱密度，由光源发射或每单位时间通过某个接收部分的辐射能量，单位：瓦特，辐射能量通量的光谱密度：辐射能量通量的定义：实验表明，需要2.5瓦才能产生4000A的紫光，其明亮和黑暗的感觉与550A的1瓦绿光相同。在4000-7600范围之外，V实际上趋向于0.4)对光敏感和对光敏感的视觉功能，这是因为眼睛中的视锥和视柱视神经细胞分别在昏暗的环境中起作用而形成的。视觉功能的最大值向短波方向移动。因此，在昏暗的月光下，我总觉得周围的一切都被蓝绿色所覆盖。5)光通量，定义：光源发出的辐射能通量通过视觉功能的权重因子转换为作用于人眼的有效视觉强度，称为光通量。单位：流明，记录为：with，or，最大光功当量，6)发光强度和辐射强度，(1)点光源和面光源，(2)发光强度I:单位立体角发出的光通量，单位：坎德拉，3 (b)发光强度与方向有关，发光强度随方向而变化。(4)辐射强度：以单位