第一章_光和光的传播.ppt

1、光学，讲师：陈冰冰，学好光学课程的意义，当今科学研究前沿的热门课题，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。光学课程的特点和内容是新的：中学学习不多，光学发展迅速，新的内容不断涌现。有许多分支：几何光学、干涉、衍射、偏振以及光和物质之间的相互作用公式。公式课程的编排特点约有200个：重点是物理光学(干涉、衍射、偏振)，如何学好光学课程，课前按时预习，及时复习，独立完成作业，并主动回答问题，参考书a .新概念物理教程光学赵凯华，b

2、 .光学教程姚琦君，c .光学赵凯华，钟西华，d .光学祖国之光，e .光学原理诞生(又称光学圣经)，第一章光与光的传播， 1.1光的光学发展和性质，人类感官从外界接收的全部信息中至少有90%是通过眼睛获得的； 光学是一门古老的学科，也是一门年轻的新学科。激光诞生后，光学开始迅速发展，成为科学研究前沿的一个极其活跃的课题。有五个时期。首先，在公元前500年和公元1500年，光学元件如镜子、眼镜和幻灯片相继出现。(1)阳随采用火和金属凹面镜；(2)公元前4世纪，墨家学派进行了针孔成像和面镜成像实验，并对其进行了分析和解释。(3)克莱莫梅德斯和托勒密(托勒密，90-168)研究光的折射；(4)培根

3、(r .培根，1214-1294)提出了用透镜矫正视力和用透镜组建造望远镜的可能性，阿玛蒂发明了眼镜。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：在光学致密介质中光速较高；3.波动光学时期18001900，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

4、偏振。4.麦克斯韦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，光的波动理论已经克服了光的粒子理论。4.在1900-1950年的量子光学时期，惠更斯-菲涅耳波理论在近50年来具有了机械色彩，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一些现象，例如，热黑体辐射中能量按波长分布的问题；3.普朗克在1900年提出了能量量子理论，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

5、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本质。5.现代光学时期从1950年到现在。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.光学复兴了。以前所未有的规模和速度迅速发展1)智能光学仪器2)全息术3)光纤通信4)光学计算机5)激光光谱学的实验方法6)微纳米光学技术2)可见光的波长范围：频率：真空中的光速：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；我们可以得到；在不同的介质中；在相同的介质中：5)相对光强：注意：光强是

6、一个平均值，6)光强被定义为平均值的原因，响应时间：需要检测或记录的最短时间。人眼的响应时间：最好的仪器的响应时间大约是：光波的振动周期：人眼和接收器只能感知光波的平均能量流密度。实际意义是光波的平均能量流、)和光谱。(1)单色光：只有单一波长的光被称为单色光，否则它是非单色光。(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)线光谱：光谱集中在某些离散波长范围内的线性谱线称为线光谱。谱线宽度：每条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，线光谱，几种元素的常见光源的典型谱线，1.3光学的研

7、究对象、分支和应用，它是一门研究光的本质、光的产生和传播、光与物质的相互作用及其在科学研究和技术中的应用的科学。几何光学：(尺度比光的波长大得多，所以它的涨落效应不明显)、波动光学(研究光的涨落的学科)(干涉、衍射、偏振)、量子光学(研究光和物质的相互作用)(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、反射和非线性光学物理光学，物理学家谈论光学，光学现象背后的物理原理，就我们书中涉及的那些而言，它们在1900年以前已经大体上系统地形成了。从那时起，光学，像其他物理学部门一样，由于能量量子的发现，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

8、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极限，并确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应用，一直在不断扩大，并且仍在扩大，势头有增无减。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根植于更深层次的物理学。然而，从真正的意义上来说，物理学的每一个层次都是无穷无尽的。面对大自然的种种丰富多彩，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和压倒性的发展

9、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，2.4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：物体的阴影，针孔成像，例：海市蜃楼，海市蜃楼是一种折射现象。由于表面附近空气密度在垂直方向上的剧烈变化，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。劣质的海市蜃楼出现在真实物体的下面；幻影(Superior mirages)出现在真实对象的上方。(2)光的反射和折射定律，反射光线

10、和折射光线都在入射面上。注：1)任何折射率直到真空被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)适用条件：上述定律仅适用于反射和折射面积远大于光波长的情况。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。解：水相对于空气的折射率是，根据折射定律，有，例1在水中的深度为Y处有一个发光点Q，让QO垂直于水面，并计算出离开水面的折射线延长线与QO的交点的深度与入射角之间的关系。上述公式表明，光线从Q点向不同方向的折射延长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，那么它

11、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。例2用图解法求出球面上任意入射光线的折射线，证明：(1)正弦定律与HCM相似，(2)三角形相似，HCM和MCH，当光线从光密介质中发出时，当入射角增加到某一临界值时，折射光线消失，所有光线被反射。这种现象被称为全反射。2.2全反射定律，全反射临界角：应用空气对玻璃，临界角和全反射1-全反射棱镜，利用全反射棱镜改变光的方向，能量损耗比使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，三棱镜的截面称为三棱镜，(3)主截面，垂直于边缘的平面称为棱镜的主截面，

12、(4)偏转角，2.3棱镜与色散，折射率，并求出其最小值。从D，E，F，A的最小偏转角的推导中，我们可以得出，当有时，介质的折射率不仅与介质的种类有关，还与在同一介质中，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散射，这就是所谓的散射。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：当光的方向反转时，它将沿着相同的路径传播，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：扰动在空间中的传播(2

13、)波面：在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且满足上述条件的振动轨迹(3)波线：在波场中画一个线族，每个点的切线方向代表变化点波扰动的传播方向。(4)球面波和平面波，波面，波线，球面波，平面波，3.2惠更斯原理表示。在时间T，振动源发出的波扰动到达波面S，惠更斯提出S上的每个仓都可以视为二次波的波源，仓发出的二次波继续惠更斯原理，原理的优点：它提出了远波概念原理的缺点：它不能给出新波面的强度分布，3.3惠更斯原理解释了反射和折射定律，如图所示，如果有：假设，那么就有：即惠更斯原理解释了反射和折射定律，3.4惠更斯原理解释了直线传播问题。几何光学波动光学。费马原理，4.1光程的定

14、义：如图所示，有：在均匀介质中，有：在m种不同的介质中，在折射率不断变化的介质中：4.2光在介质中传播的光程等于在真空中传播的几何光程，这证明了4.3有相同的光程和包含相同的波数。4.4位相位差与光程差成正比。 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：并且如果它的方向是沿着波的传播方向，Q，P，和光路：那么有：它的物理意义是：并且两个振动的差异可以通过比较它们的光路来研究。 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

15、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，量子力学是光的实际路径。从对称性分析不难看出，(1)反射定律，(4.6)从费马原理导出的几何光学三定律，(2)折射定律，折射面，功，共面，(3)考虑光从A到B通过折射面上的任意点，从功的垂直线到垂直脚，考虑光从A到B通过折射，(1)在平面内，使得可见光的最短路径应该在平面内找到，即折射光线在入射平面内。在均匀介质中，两点之间(直线传播)、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。测光学的基本概念，1)测光学和辐射测量学，测光学：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，由光源在单位时间内发射或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，产生4000A紫光需要2.5瓦，与1瓦的5550A绿光具有相同的明暗感觉。在4000A - 760