《光學》課件：chapter1 幾何光學

1、第1章 幾何光學的基本定律課程信息課程信息課程性質、考核方式、參考資料p 理科大類平臺課，1 學分0101課程性質、考核方式p 總成績=平時30%+期末70%p 平時：作業(yè)、課堂表現(xiàn)、考勤等p 期末：閉卷考試（簡答題+計算題），全校統(tǒng)考p 答疑地點：物理樓320室，時間稍后見校園網通知p 考試時間：初步預定在第十周周六（5月7日）0202教師信息李金環(huán)李金環(huán) 教授教授主要研究主要研究方向方向光學檢測及全固態(tài)激光器相關研究光學檢測及全固態(tài)激光器相關研究主要社會主要社會兼職兼職n美國SPIE會員 美國AAPT會員（物理教師協(xié)會）n日本應用物理學會會員n2013-2017年教育部高等學校物理專業(yè)教學

2、指導委員會東北地區(qū)工作委員會委員 n吉林省物理學會 第八屆理事會副秘書長n第六屆中國光學學會 光學測試專業(yè)委員會委員n中國高校實驗物理教學研究會 第四屆理事會常務理事 n全國近代物理研究會 第六屆理事會常務理事 n光學學報審稿人 日本新日本新潟潟大學大學 工學博士工學博士0303教材及參考資料0404網絡資源中國大學資源共享課：光學北京大學，鐘錫華教授主講http:/ 同濟大學/course/tongji-45007#/info光學導論光學導論光學的研究對象、發(fā)展史0101什么是光學光是一種重要的自然現(xiàn)象。光學是研究光的本性、光的產生與控制、光的

3、檢測、光與物質的相互作用以及它的各種應用科學。0202光學的研究對象p 光的傳播、反射、折射、成像等p 波動光學：光的干涉、衍射、偏振等p 量子光學：光的吸收、散射、色散、光的本性等幾何光學物理光學0202光學的研究對象p 激光光學：激光物理、激光技術、激光應用等。p 全息光學：光學全息與信息處理等。p 晶體光學：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應等。p 集成光學：集成光路理論及制造等?，F(xiàn)代光學0202光學的研究對象p 傅立葉光學：光學傅立葉分析、傅立葉變換等。p 激光光譜學：物質微觀結構及分子運動規(guī)律的分析等。p 非線性光學：光學介質及強光的相互作用。瞬態(tài)光學、光纖通信、光信息存儲、受激拉曼

4、散射、受激布里淵散射、飛秒激光現(xiàn)代光學我國早在春秋時代墨經中記載了許多光學現(xiàn)象，如：光的直線傳播，反射、折射等，中國古代在幾何光學方面長期在世界居于領先地位。近代光學的發(fā)展一直伴隨對光的本質的研究:古希臘（歐幾里德），把光看作觸須投射（錯誤認識）十七世紀開始，對光的本性的認識，有兩種學說并立以牛頓為代表的微粒說，認為光是按照慣性定律沿直線飛行的微粒，解釋光的直線傳播，反射、折射。無法解釋干涉、衍射、偏振0303光學發(fā)展簡史惠更斯提出光的波動理論，認為光是在一種特殊介質中傳播的機械波。解釋了光的反射、折射、衍射。托馬斯楊和菲涅爾（在十九世紀初）透過實驗和進一步的理論工作，驗證了光的波動理論，成功

5、地解釋了光的干涉、衍射。波動光學存在不足，把光看作是機械波，光在真空中傳播需要媒質，于是臆想出“以太”，認為真空中充滿了“以太”，但找不到。十九世紀六十年代，麥克斯韋建立了電磁場理論，預言電磁波存在，1887年赫茲通過實驗，發(fā)現(xiàn)了電磁波，電磁波的速度等于光速，認為光是電磁波。0303光學發(fā)展簡史隨著技術的發(fā)展和實驗條件的完善，發(fā)現(xiàn)了光電效應，康普頓效應，利用波動光學無法解釋，1900年普朗克提出量子假說，1905年愛因斯坦提出光子學說。解釋了光電效應。光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。0303光學發(fā)展簡史04042015國際光年CommunicationsCommunicationsHeal

6、thHealthEconomyEconomyEnvironment Environment SocialSocial光和光基技術國際年2015 celebrates major anniversaries1015 Ibn Al Haythem Book of Optics 光學的開山之作1815 Fresnel and the wave nature of light 波動光學理論1865 Maxwell and electromagnetic waves 光的電磁波理論1915 General relativity light in space and time 廣義相對論1965 Cosm

7、ic microwave background, Charles Kao and optical fibre technology 宇宙微波輻射背景、光導纖維通訊2015國際光年官方主頁04042015國際光年第一章第一章 幾何光學基本定律幾何光學基本定律光的反射、折射及相關應用1 1 幾何光學幾何光學的的基本定律基本定律反射、折射在均勻各向同性介質中，光沿直線傳播。如：針孔成像就是光沿直線傳播的結果。日全食 0101直線傳播定律針孔成像光闌0202光的獨立傳播定律自不同方向的光線在介質中相遇后，各保持原來的傳播方向繼續(xù)傳播。入射光線、反射面的法線和反射光線三者處在同一平面上，入射光線和反射光

8、線分居于入射點界面法線的兩側，入射角等于反射角。 ii en界面Sii R漫反射光路可逆性原理0303反射定律2211sinsinninn n21稱為介質2相對于介質1的相對折射率入射光線折射光線 i 入射角折射角 enn1n2分界面 入射光線、折射光線和分界面的法線三者同處在一個平面上，入射角和折射角 有下述關系0404折射定律212112nnnvv物質相對于真空的折射率稱為絕對折射率（簡稱折射率）vcn 光在真空中的傳播速度光在介質中的傳播速度兩種介質相比較，折射率大的介質，光在其中的傳播速度小，稱為光密介質；折射率小的介質，光在其中的傳播速度大，稱為光疏介質。12sinsinnin 折射

9、定律也可表示為：斯涅耳定律（Snells Law）0404折射定律12sinsinnin 當21nn i 有臨界角 A：相應于折射角為90的入射角。全反射：當入射角 i 大于臨界角 A時，將不會出現(xiàn)折射光，入射光的能量全部反射回原來介質的現(xiàn)象。21sinnAn（n1n2）i Ai1n2nen旋轉反射鏡0505全反射光導纖維的光路內窺鏡0505全反射2 2 共軸共軸理想光學系統(tǒng)的成像理想光學系統(tǒng)的成像共軸理想光學系統(tǒng)光在均勻介質走過的幾何路程與介質折射率之乘積光程的物理意義：表示光在介質中通過真實路程所需時間內,在真空中所能傳播的路程。l = nrSsnLdSn0101光程光從一點傳播到另一點將

10、循著這樣一條路徑，光沿所需要時間為極值（可以是極大值、極小值，也可以是常量）的路徑傳播。即：光沿著光程為極值的路徑傳播。所用時間為：1dStn sc時間 t 有極值的條件是:1d 0Stn sc或d 0SLn s0202費馬原理光在i介質中的光程等于在相同時間t內光線在真空中所走的路程。光線沿光程為平穩(wěn)值的路徑而傳播。平穩(wěn)值的三種基本含義：極小值直線傳播、反射、折射極大值凹球面反射鏡常數(shù)成像系統(tǒng)的物像關系費馬原理推論：物象等光程，即由物點發(fā)出的所有光線通過光具組后均應以相等的光程到達像點 。0202費馬原理費馬原理的應用(1)反射定律 aABiiPdxbnA與B時折射率為n的均勻介質中的兩點，

11、有一光線APB，其光程為：2222()()L APBn axn bd x1122222211()(2 )() 2()( 1)022dLnaxxnbdxdxdx根據費馬原理，這光程應為極小，所以0202費馬原理上式可以寫成：2222()xdxaxbdxsinsin iiii1122222211()(2 )() 2()( 1)022dLnaxxnbdxdxdx由圖可知：即：這就是反射定律。BdAaiiPxbn0202費馬原理費馬原理的應用(2)折射定律 折射定律的證明（取極小值）y設A(0,yA)，O(x,0) ，B(xB，yB)2222AO+BO =itiAtBBnnnxyn (xx)y22222()d2=0d()BitABBxxxnnxxyxxy2222BitABBxxxnnxy(xx)y即：sinsinitnint0202費馬原理ABCO反射面（甲）凹面鏡ABCO反射面（乙）凸面鏡球面鏡主光軸：球面上中心點O與球心(曲率中心)C所連直線。副光軸：通過曲率中心的任何直線。光軸：光學系統(tǒng)的對稱軸光軸傍軸光線：與光軸夾