大學物理光學5

1、Harbin Engineering University光為什么重要？光為什么重要？ 圣經圣經創(chuàng)世紀創(chuàng)世紀 起初，上帝創(chuàng)造天地。起初，上帝創(chuàng)造天地。 上帝說：上帝說：“要有光要有光”，于是就有了光。，于是就有了光。 這是頭一日。這是頭一日。 人來到世間，睜開眼就看到了光人來到世間，睜開眼就看到了光，從此伴人一生，從此伴人一生。 人獲取外界的信息，人獲取外界的信息，90%以上靠光作媒質！以上靠光作媒質！ 光帶動了現(xiàn)代科學的發(fā)展光帶動了現(xiàn)代科學的發(fā)展 2011，2009，2006，2005，2002，2000 宇宙學和光學在引領物理學發(fā)展，進入宇宙學和光學在引領物理學發(fā)展，進入21世紀諾貝爾物理

2、學獎世紀諾貝爾物理學獎6次與光學及宇宙學（紅字）相關，宇宙學也是需要依靠光學測量次與光學及宇宙學（紅字）相關，宇宙學也是需要依靠光學測量結果進行分析的。結果進行分析的。 理學院的兩位院士：陸埮（音：壇）院士和崔向群院士分別是宇理學院的兩位院士：陸埮（音：壇）院士和崔向群院士分別是宇宙學和光學領域的專家。宙學和光學領域的專家。 光學（光學（Optics），目前更多地被光子學），目前更多地被光子學（Photonics）而取代，成為革命性發(fā)展的學科。）而取代，成為革命性發(fā)展的學科。 昨天的知識可能不再準確，今天的知識還在發(fā)展中，需要大家的昨天的知識可能不再準確，今天的知識還在發(fā)展中，需要大家的共同努

3、力共同努力.Harbin Engineering University光學發(fā)展給我們帶來了什么？光學發(fā)展給我們帶來了什么？Harbin Engineering University第第1章章 光是什么？光是什么？ “光是什么？光是什么？”不同的人將會有不同的答案。不同的人將會有不同的答案。 光是視覺，是眼睛所見。光是視覺，是眼睛所見。 光是光線。光是光線。 光是一種電磁波。光是一種電磁波。 光是能量子。光是能量子。 對于上述種種答案，既可以說是對的，又可以對于上述種種答案，既可以說是對的，又可以說不是完全對的。那么，光到底是什么呢？或說不是完全對的。那么，光到底是什么呢？或者我們站在物理學的角

4、度問，光的本質是什么？者我們站在物理學的角度問，光的本質是什么？ 要給出一個完全正確的答案，現(xiàn)在看來還為時要給出一個完全正確的答案，現(xiàn)在看來還為時過早。也許這個問題永遠也沒有一個終極正確過早。也許這個問題永遠也沒有一個終極正確的答案。的答案。Harbin Engineering University光學的發(fā)展歷史光學的發(fā)展歷史 墨子對光學很有研究，對于光的直線傳播、光的反射和墨子對光學很有研究，對于光的直線傳播、光的反射和若干物影成像，進行了精彩的描述。若干物影成像，進行了精彩的描述。 有一次，墨子進行光學實驗，他在堂屋朝陽的地方，讓有一次，墨子進行光學實驗，他在堂屋朝陽的地方，讓一個人對著小

5、孔站在屋外，在陽光的照射下，屋內相對一個人對著小孔站在屋外，在陽光的照射下，屋內相對的墻上出現(xiàn)倒立人像。墨子通過小孔成像的光學實驗，的墻上出現(xiàn)倒立人像。墨子通過小孔成像的光學實驗，闡述了光的直線傳播原理，成為后代攝影技術的先聲。闡述了光的直線傳播原理，成為后代攝影技術的先聲。 墨子及其弟子的著作，統(tǒng)稱為墨子及其弟子的著作，統(tǒng)稱為墨子墨子。其中。其中經上經上，經下經下、經說上經說上、經說下經說下及及大取大取、小小取取六篇，專說名辯和時間、空間、物質結構、力學、六篇，專說名辯和時間、空間、物質結構、力學、光學、聲學、代數(shù)、幾何等內容光學、聲學、代數(shù)、幾何等內容.Harbin Engineering

6、 University光學的發(fā)展歷史光學的發(fā)展歷史禮記禮記 “ “左佩金燧左佩金燧”、“右佩木燧右佩木燧”玉篇玉篇 “燧，以取火于日燧，以取火于日” Harbin Engineering UniversityHarbin Engineering University恩培多克勒（恩培多克勒（Empedocles 公元前公元前490-430）和歐幾里得）和歐幾里得（Euclid ,公元前公元前300）關于光學的系統(tǒng)著作。）關于光學的系統(tǒng)著作。Harbin Engineering University光的本性：微粒說光的本性：微粒說 笛卡兒笛卡兒 1638年，提出一種無所不在的年，提出一種無所不在的

7、“以太以太”假說，拒假說，拒絕接受超距作用的解釋，堅持認為力只能通過物質粒子絕接受超距作用的解釋，堅持認為力只能通過物質粒子和與之緊鄰的粒子相接觸來傳播，把熱和光看成是以太和與之緊鄰的粒子相接觸來傳播，把熱和光看成是以太中瞬時傳播的壓力。屈光學中提出光的粒子假說，中瞬時傳播的壓力。屈光學中提出光的粒子假說，并用以推出光的折射定律。并用以推出光的折射定律。 斯涅耳斯涅耳（W. Snell, 約約1580-1626） 費馬費馬（P.Fermat, 1601-1665） 牛頓牛頓 1704年，光學一書出版。隨著天文學、力學年，光學一書出版。隨著天文學、力學和光學的出現(xiàn)，物理學在十八世紀開始成為科學和

8、光學的出現(xiàn)，物理學在十八世紀開始成為科學。牛頓牛頓堅持堅持光的微粒說，他認為波動說的最大障礙是不能解釋光的微粒說，他認為波動說的最大障礙是不能解釋光的直線進行。他提出發(fā)光物體發(fā)射出以直線運動的微光的直線進行。他提出發(fā)光物體發(fā)射出以直線運動的微粒子、微粒子流沖擊視網膜就引起視覺。它也能解釋光粒子、微粒子流沖擊視網膜就引起視覺。它也能解釋光的折射與反射，甚至經過修改也能解釋的折射與反射，甚至經過修改也能解釋F.M.格里馬爾迪格里馬爾迪發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)的“衍射衍射”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。Harbin Engineering University光的本性：波動說光的本性：波動說 胡克胡克 1665年，胡克提出了光的波

9、動說，認為光的傳播與年，胡克提出了光的波動說，認為光的傳播與水波的傳播相似。水波的傳播相似。1672年進一步提出光波是橫波的概念。年進一步提出光波是橫波的概念。 惠更斯惠更斯在在1690年出版的光論一書中正式提出了光的波年出版的光論一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基礎上，他推倒動說，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基礎上，他推倒出了光的反射和折射定律，圓滿的解釋了光速在光密介質中出了光的反射和折射定律，圓滿的解釋了光速在光密介質中減小的原因，同時還解釋了光進入冰洲石所產生的雙折射現(xiàn)減小的原因，同時還解釋了光進入冰洲石所產生的雙折射現(xiàn)象，認為這是由于冰洲石分子微粒為橢

10、圓形所致。后來，菲象，認為這是由于冰洲石分子微粒為橢圓形所致。后來，菲涅耳對惠更斯的光學理論作了發(fā)展和補充，創(chuàng)立了涅耳對惠更斯的光學理論作了發(fā)展和補充，創(chuàng)立了“惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理”，才較好地解釋了衍射現(xiàn)象，完成了光的波動，才較好地解釋了衍射現(xiàn)象，完成了光的波動說的全部理論。說的全部理論。 楊氏楊氏（T.Young 1773-1829）楊氏干涉實驗為波動光學楊氏干涉實驗為波動光學的復興作出了開創(chuàng)性的工作。用干涉原理解釋牛頓環(huán)的成因的復興作出了開創(chuàng)性的工作。用干涉原理解釋牛頓環(huán)的成因和薄膜的彩色，并第一個近似地測定了七種顏色的光的波長，和薄膜的彩色，并第一個近似地測定了七種顏色的光

11、的波長，從而完全確認了光的周期性，為光的波動理論找到了又一個從而完全確認了光的周期性，為光的波動理論找到了又一個強有力的證據(jù)。強有力的證據(jù)。 菲涅耳菲涅耳(17881827) 菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理為基礎，用新的定量形式建立了以他們的姓氏命名的惠更斯為基礎，用新的定量形式建立了以他們的姓氏命名的惠更斯菲涅耳原理。解釋了衍射現(xiàn)象，完成了光的波動說的全部菲涅耳原理。解釋了衍射現(xiàn)象，完成了光的波動說的全部理論理論。Harbin Engineering University二者的競爭二者的競爭 微粒說和波動說對不同介質中光速的解釋微粒說和波動說對不同介質中光速的解釋（

12、光從空氣入水）（光從空氣入水） 微粒說（光加速）微粒說（光加速） 波動說（光減速）波動說（光減速）Harbin Engineering University支持波動說的證據(jù)支持波動說的證據(jù) 楊氏雙孔干涉實驗楊氏雙孔干涉實驗 菲涅爾的衍射解釋與菲涅爾的衍射解釋與泊松亮點泊松亮點 傅科的光速測量實驗傅科的光速測量實驗Harbin Engineering University麥克斯韋爾的貢獻麥克斯韋爾的貢獻電磁波譜電磁波譜Harbin Engineering University20世紀物理學晴朗天空的兩朵烏云世紀物理學晴朗天空的兩朵烏云 邁克爾遜邁克爾遜-莫雷實驗的莫雷實驗的零結果零結果 黑體輻射

13、的黑體輻射的“紫外災紫外災難難”Harbin Engineering University光的波粒兩相性光的波粒兩相性尼爾斯尼爾斯玻爾玻爾Niels Bohr 1885-19621885-1962普朗克普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck1858-19471858-1947愛因斯坦愛因斯坦 (1879-1955)薛定諤薛定諤Erwin Schrdinger1887-19611887-1961海森伯海森伯Werner Karl Heisenberg1901-19761901-1976Harbin Engineering University今天的光學今天的光學納米光子學

14、納米光子學Harbin Engineering University21世紀的信息載體世紀的信息載體 20世紀微電子技術的迅速發(fā)展，給我們帶世紀微電子技術的迅速發(fā)展，給我們帶來了來了電電腦、腦、電電視、手機視、手機. 21世紀光子技術的革命，已經帶給我們了世紀光子技術的革命，已經帶給我們了高速網絡、藍光播放器、高速網絡、藍光播放器、3D電視、電視、LED照照明明.，今后還將帶給我們，今后還將帶給我們光光腦、腦、光光視、視、太陽能汽車、隱身衣、多功能食品檢測裝太陽能汽車、隱身衣、多功能食品檢測裝置等。置等。 光子學的發(fā)展還會帶領我們走向太空，發(fā)光子學的發(fā)展還會帶領我們走向太空，發(fā)現(xiàn)宜居星球；進入

15、原子核，認識世界的本現(xiàn)宜居星球；進入原子核，認識世界的本質；制作聞所未聞的新物質，改變世界。質；制作聞所未聞的新物質，改變世界。 選擇光學選擇光學=選擇美好的未來！選擇美好的未來！Harbin Engineering UniversityLED的五彩世界的五彩世界Harbin Engineering University戰(zhàn)場上的光眼與光劍戰(zhàn)場上的光眼與光劍Harbin Engineering University顯示技術的革命顯示技術的革命Harbin Engineering University光在幫助人類診斷和醫(yī)療光在幫助人類診斷和醫(yī)療Harbin Engineering Universi

16、ty高能量或超精細的激光加工高能量或超精細的激光加工Harbin Engineering University光通信與網絡光通信與網絡 以以1989年誕生的摻鉺光纖放大器年誕生的摻鉺光纖放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技術是光纖代表的全光放大技術是光纖通信技術上的一次革命，使網絡進入生活。通信技術上的一次革命，使網絡進入生活。David PayneHarbin Engineering University光鐘是我們有了光鐘是我們有了GPS 朱棣文，朱棣文，2006諾貝爾獎諾貝爾獎Harbin Engineering Univers

17、ity光鑷使我們可以擺弄細胞光鑷使我們可以擺弄細胞 利用光鑷可以抓住、翻轉、旋轉、分割活利用光鑷可以抓住、翻轉、旋轉、分割活體細胞。體細胞。 我校理學院的單光纖光鑷技術世界領先。我校理學院的單光纖光鑷技術世界領先。 (a) Harbin Engineering University光學的分類：光學的分類：1）幾何光學：以光的直線傳播為基礎，研究在）幾何光學：以光的直線傳播為基礎，研究在 透明介質中的傳播問題。包括：透明介質中的傳播問題。包括： 直線傳播定律、反射折射定律。直線傳播定律、反射折射定律。2）物理光學：）物理光學：波動光學：以光的波動性為基礎，研究光的波動光學：以光的波動性為基礎，研

18、究光的 干涉、衍射、偏振。即：研究光干涉、衍射、偏振。即：研究光 的波動性。的波動性。量子光學：以光和物質的相互作用所顯示的量子光學：以光和物質的相互作用所顯示的 粒子性為基礎。粒子性為基礎。納米光學：在微小尺度對光子進行操控。納米光學：在微小尺度對光子進行操控。Harbin Engineering University第第2章章 幾何光學幾何光學 光為什么會在均勻介質中沿直線傳播？光為什么會在均勻介質中沿直線傳播？ 為什么在兩種介質的界面上發(fā)生折射呢？為什么在兩種介質的界面上發(fā)生折射呢？ 為什么會出現(xiàn)海市蜃樓呢？為什么會出現(xiàn)海市蜃樓呢？ 透鏡成像的原理是什么？透鏡成像的原理是什么？ 探照燈是

19、如何工作的？探照燈是如何工作的？ 有什么辦法能接近理想成像？有什么辦法能接近理想成像？ 在光學元件尺度遠大于光波長時，可以使用幾在光學元件尺度遠大于光波長時，可以使用幾何光學理論進行研究。何光學理論進行研究。 幾何光學的研究成果應用于光學系統(tǒng)設計。幾何光學的研究成果應用于光學系統(tǒng)設計。Harbin Engineering University第第1節(jié)節(jié) 費馬原理費馬原理 1650年年，費馬提出了一個最短時間原理：光費馬提出了一個最短時間原理：光從一點行進到另一點的所有可能路徑中，按從一點行進到另一點的所有可能路徑中，按照所需時間最短的路徑前進。照所需時間最短的路徑前進。 更加準確的描述卻是光所

20、走的路徑是光程取更加準確的描述卻是光所走的路徑是光程取極值（嚴格地說是變分為零）的那一條。極值（嚴格地說是變分為零）的那一條。光程：光程：nLA點點B點點不同路徑對應不同不同路徑對應不同函數(shù)，光程是路徑函數(shù)，光程是路徑函數(shù)的函數(shù)（泛函）函數(shù)的函數(shù)（泛函）Harbin Engineering University費馬定理對反射定律的解釋費馬定理對反射定律的解釋 B為為B點的鏡像，點的鏡像，D為為AB和界面的交點，和界面的交點，則則ADB為所有從為所有從A到到B的路線中最短的。的路線中最短的。AD+DB也就是從也就是從A經界面反射到經界面反射到B點最短點最短的距離。的距離。ABBEC DHarbi

21、n Engineering University費馬定理對反射定律的解釋費馬定理對反射定律的解釋 在在D點做界面的垂線（法線）點做界面的垂線（法線） 由圖可見，由圖可見， 1= 2= 3 所以，所以， 4= 5（反射定律（反射定律）ABBEC D1 4 5 3 2Harbin Engineering University費馬定理對折射定律的解釋費馬定理對折射定律的解釋 在界面上選一點在界面上選一點C(x,0)，則從則從A點經過點經過C點到點到B點的光程為點的光程為A(0,yA) ODxyB(xB,yB) C(x,0)空氣空氣水水iG BCCA10nn這里這里n0和和n1分別是空氣和水的折射率分

22、別是空氣和水的折射率Harbin Engineering University費馬定理對折射定律的解釋費馬定理對折射定律的解釋A(0,yA) ODxyB(xB,yB) C(x,0)空氣空氣水水iG 將光程對將光程對C點坐標求導，并令導數(shù)為點坐標求導，并令導數(shù)為0，即即0sinsin10nin2B2B12A20)()(yxxnyxnx0)()(d)(d2B2B12A20yxxxxnyxxnxxB折射定律（折射定律（Snells Law)Harbin Engineering University第第2節(jié)節(jié) 費馬原理的應用與分析費馬原理的應用與分析 透鏡成像透鏡成像 靠近光軸（圖中中央的點劃線）部分

23、的光線在空氣中靠近光軸（圖中中央的點劃線）部分的光線在空氣中路徑最短，但在玻璃中路程最長；靠近透鏡邊緣的光路徑最短，但在玻璃中路程最長；靠近透鏡邊緣的光線正相反，在空氣中多走一段，但在玻璃中少走一段。線正相反，在空氣中多走一段，但在玻璃中少走一段?？紤]到玻璃的折射率大于空氣，光線這樣選擇路徑就考慮到玻璃的折射率大于空氣，光線這樣選擇路徑就可以保證各條光線在到達可以保證各條光線在到達B點時光程都相等，滿足費馬點時光程都相等，滿足費馬原理要求光程變分為零的條件。原理要求光程變分為零的條件。A BHarbin Engineering University噴薄的噴薄的日出日出 當我們最早看見太陽時，當

24、我們最早看見太陽時，它還在地平線以下呢！它還在地平線以下呢！S SEARTH海市蜃樓海市蜃樓+日出日出Harbin Engineering University扁扁的落日扁扁的落日Harbin Engineering University海市蜃樓海市蜃樓 沙漠（或公路）高溫，沙漠（或公路）高溫，地表空氣稀薄，折射地表空氣稀薄，折射率小率小。Harbin Engineering University海市蜃樓海市蜃樓 海洋表面溫度低，空海洋表面溫度低，空氣密度大，折射率大氣密度大，折射率大。Harbin Engineering University反射式望遠鏡（或探照燈）反射式望遠鏡（或探照燈）

25、S Q Q L L B A C ACB為拋物面的為拋物面的準線準線Harbin Engineering University旋轉橢球面旋轉橢球面S1S2P從一個焦點發(fā)出的光，到另外一個焦點從一個焦點發(fā)出的光，到另外一個焦點的光程相等，因此可以理想成像。（的光程相等，因此可以理想成像。（P,P點為橢球面上任意反射點）點為橢球面上任意反射點）PPHarbin Engineering University變折射率光纖變折射率光纖 這種光纖的纖芯中心部分折射率最高，由內這種光纖的纖芯中心部分折射率最高，由內向外折射率逐漸變小，可以將入射光線限制在纖向外折射率逐漸變小，可以將入射光線限制在纖芯中前進芯中

26、前進。Harbin Engineering University近軸成像公式近軸成像公式rnnlnln 稱為單一折射球面的稱為單一折射球面的光焦度光焦度此此為為單一折射球面的單一折射球面的近軸近軸成成像公式像公式Qlrnlrn)11()11(阿貝不變量阿貝不變量-lOCABEii-uU hn nrl Harbin Engineering University例題例題1 一個厚玻璃透鏡，折射率為一個厚玻璃透鏡，折射率為1.5，周圍是，周圍是空氣（折射率為空氣（折射率為1.0），左側球面半徑為），左側球面半徑為15cm，右側球面半徑為，右側球面半徑為25cm，兩球面頂，兩球面頂點間距為點間距為30

27、cm。 一個物點在透鏡左球面左側一個物點在透鏡左球面左側40cm的光軸的光軸上，求像點位置。上，求像點位置。Harbin Engineering University)cm(180400 . 1150 . 15 . 15 . 11010111lnrnnnl解：對左球面解：對左球面P1來說，物距來說，物距l(xiāng)1=-40cm, n0=1.0, n1=1.5, r1=15cm，由，由單一折射球面的單一折射球面的近軸成像公式知近軸成像公式知O P1 C2 C1 P2 In0 n1 n01011011rnnlnlnHarbin Engineering University)cm(3 .331505 . 1255 . 10 . 10 . 12121002lnrnnnl對右球面對右球面P2來說，物距來說，物距l(xiāng)2=180-30=150cm, r2=-25cm，則，則O P1 C2 C1 P2 In0 n1 n02102120rnnlnln最后的像點位于光軸上最后的像點位于光軸上P2后后33.3cm處。處。Harbin Engineering University空氣中的薄透鏡空氣中的薄透鏡 當透