光學(xué)新概念第一章課件

第一章光和光的傳播§2光的幾何光學(xué)傳播規(guī)律§3光的波動(dòng)光學(xué)傳播基礎(chǔ)——惠更斯原理§4費(fèi)馬原理§5光度學(xué)基本概念§1光和光的傳播§1光和光的傳播1、萌芽時(shí)期(公元前5世紀(jì)～公元15世紀(jì)末)

人眼發(fā)出的觸須樣；物體發(fā)出的——爭(zhēng)論…2、幾何光學(xué)時(shí)期(AC16～AC18世紀(jì))微粒說(shuō)；波動(dòng)說(shuō)；微粒說(shuō)占上風(fēng)——因?yàn)榕ｎD太偉大了……

3、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期(AC19～20世紀(jì)初)1865，麥克斯韋方程：電磁波波速為C→光也是電磁波1888，赫茲實(shí)驗(yàn)：彈性媒質(zhì)以太中的橫波

★成就：光與電磁波統(tǒng)一，自然現(xiàn)象相互聯(lián)系的辯證思想，對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。

★遺留問(wèn)題：以太的問(wèn)題；光波到底是什么波？

第一章光和光的傳播一、光的本性(緒論)4、量子光學(xué)時(shí)間（1900～1960）①光的粒子性黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等②光的波動(dòng)性大量的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象③德布羅意物質(zhì)波每一物質(zhì)粒子都與一定波相聯(lián)系戴維孫——革未電子衍射實(shí)驗(yàn)1927年④光的波粒二象性

E=hν；P=h/λ⑤玻恩1925年，波粒二象性的幾率解釋——概率波5、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期(20世紀(jì)60年代開(kāi)始)關(guān)于光的本性——···至今答案沒(méi)有令人滿(mǎn)意的答案

★光速——常數(shù)★單色光——譜線寬度：★可見(jiàn)光:波長(zhǎng)范圍可見(jiàn)光：390~760nm；頻率范圍：連續(xù)光譜線光譜

★復(fù)色光——譜密度元素譜線波長(zhǎng)/nm顏色鈉（Na）589.0，589.6黃（D雙線）汞（Hg）404.7，407.8435.8546.1（最強(qiáng)）577.0，579.1紫藍(lán)綠黃鎘（Cd）634.8紅氪（Kr）605.7橙典型譜線

⑵光強(qiáng)度★坡印亭矢量：電磁波的能流密度、平面電磁波是橫波平面電磁波是橫波★坡印亭矢量的大小

★關(guān)系式1、幾何光學(xué)

線直線傳播、反射、折射、成像……應(yīng)用光學(xué)2、波動(dòng)光學(xué)

波干涉、衍射、偏振、光速—介質(zhì)波3、量子光學(xué)粒子黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)——光子……德布羅意波—概率波……波粒二象性4、現(xiàn)代光學(xué)光子學(xué)激光、光纖通信、非線性光學(xué)集成光學(xué)、信息光學(xué)、超快速光學(xué)……●光子計(jì)算機(jī)并行、寬帶、高速、準(zhǔn)確……夢(mèng)

三、光學(xué)的研究對(duì)象、分支與應(yīng)用(緒論課已經(jīng)詳細(xì)討論)§2光的幾何光學(xué)傳播規(guī)律

1、直線傳播定律：各向同性均勻介質(zhì)物體的影子針孔成像

一、幾何光學(xué)三定律2、反射定律①與

n無(wú)關(guān)；無(wú)色散。即不同，同一入射角，則，反射角i’相同則，對(duì)稱(chēng)：光路可逆③漫反射現(xiàn)象之解釋(1)文字表述（略）(2)數(shù)學(xué)表式(3)討論：光的反射與折射

1、全反射⑴當(dāng)入射角達(dá)到某一值（臨界角）時(shí)，不再有折射光而全部被反射——全反射，其臨界角的大小為⑵利用全反射改變光路在生產(chǎn)和科研上有廣泛的應(yīng)用。⑶光纖通信就是利用全反射原理全反射二、全反射光學(xué)纖維（光導(dǎo)纖維）

2、光導(dǎo)纖維——光學(xué)纖維⑴原理：全反射⑵結(jié)構(gòu)：纖芯的折射率大于包層的照射率光導(dǎo)纖維的原理

利用全反射棱鏡改變光路

3、利用全反射改變光路光在漸變折射率介質(zhì)中傳播有幾何關(guān)系，得則得最后得

1、色散：折射角隨波長(zhǎng)而不同——色散光譜2、三棱鏡：橫截面是三角形棱鏡3、三棱鏡的最小偏向角三棱鏡的折射

三、棱鏡與色散★當(dāng)★有③四邊形AEOFA4、最小偏向角的求法④在中三棱鏡的折射①在中

②在中★根據(jù)折射定律：

因此必須★由★得

★得

★由★帶入得

三棱鏡的折射5、三棱鏡折射率、頂角與最小偏向角的關(guān)系

★此時(shí)，入射光與出射光對(duì)稱(chēng)，棱鏡內(nèi)光線與棱鏡底邊平行四、光路的可逆性原理光路的可逆性原理

§3惠更斯原理1、光線

：光能量的傳播方向的幾何線

理想模型：不是細(xì)光束2、波面：光波相位相等各點(diǎn)構(gòu)成的面．波前：最前面的那個(gè)波面

均勻各向同性介質(zhì)：直線非均勻介質(zhì)：曲線3、單心（同心）光束

物點(diǎn)為頂點(diǎn)的發(fā)散光束，其波面為球面物點(diǎn)為頂點(diǎn)的發(fā)散光束

一、波的幾何描述波面與波線

用惠更斯原理解釋光直進(jìn)性

四、直線傳播問(wèn)題大孔徑障礙物光的傳播方向用惠更斯原理可以定性解釋光的衍射

五、光的衍射問(wèn)題衍射問(wèn)題衍射問(wèn)題小孔徑障礙物光的傳播方向水波的衍射——開(kāi)孔越小，衍射現(xiàn)象越明顯

§4費(fèi)馬原理

定義：光在介質(zhì)中的幾何路徑長(zhǎng)度與該介質(zhì)折射率的乘積光程

一、光程1、文字表述：光沿著所需時(shí)間為極值的方向傳播。

或：光沿著光程為極值的方向傳播。2、數(shù)學(xué)表述：實(shí)際路徑上，時(shí)間變分為零

極值極大極小恒定或?qū)嶋H路徑上，光程變分為零費(fèi)馬原理

二、費(fèi)馬原理的表述1、反射定律由費(fèi)馬原理推導(dǎo)反射定律

三、由費(fèi)馬原理推導(dǎo)

幾何光學(xué)三定律★假設(shè)在入射面內(nèi)有兩條光線：QM′P和QM′P顯然，光程QMP≤QM′P★即QMP最短！★由于鏡像對(duì)稱(chēng)，有光程

QM′P≡QM′P′（1）定性證明反射定律設(shè)光源面上接收器面上XOZ面上入射點(diǎn)面上，即分界面是XOY面（2）定量證明反射定律光源接收器入射點(diǎn)應(yīng)用費(fèi)馬原理證明反射定律

總光程①由

得

即

②由

得

而

光源接收器入射點(diǎn)即

則

應(yīng)用費(fèi)馬原理證明反射定律

2、折射定律由費(fèi)馬原理推導(dǎo)折射定律

★兩條物像光線QM′P；QMP★顯然，光程QM≤QM′

PM≤PM′★即QMP最短！★設(shè)：QQ′⊥分界面Σ；PP′⊥分界面Σ★注意M′M⊥

Q′P′（1）定性證明折射定律由費(fèi)馬原理推導(dǎo)折射定律

★物像光程：QMP為★得（2）定量證明折射定律§5光度學(xué)基本概念1、輻射通量（客觀量）⑴定義：文字表述…；單位：瓦（W）；符號(hào)ψ=ψ

(λ)⑵附近內(nèi)：為輻射通量譜密度⑶

一、輻射通量和光通量（主、客觀量）光源表面☆光度學(xué)☆輻射度量學(xué)研究發(fā)光強(qiáng)弱的學(xué)科…；研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科…；

2、光譜的響應(yīng)曲線（光電儀器）客觀輻射通量引起光電儀器（不同器件）響應(yīng)靈敏度的物理量不同光電器件的響應(yīng)靈敏度3、視見(jiàn)函數(shù)（客、主觀量）⑵視見(jiàn)函數(shù)的表式⑴含義：客觀輻射通量引起人眼主觀視覺(jué)強(qiáng)度的物理量/?視見(jiàn)函數(shù)曲線

/nm輻射能量對(duì)波長(zhǎng)的分布函數(shù)視見(jiàn)函數(shù)曲線大自然的造化！

/?1瓦特555nm的(客觀)輻射通量相當(dāng)于683流明的光通量(主、客觀量)

(1)定義：輻射通量與視見(jiàn)函數(shù)的乘積；單位：流明；符號(hào):

lm

；(2)數(shù)學(xué)表式最大光譜光視效能

(最大功光當(dāng)量)Km的物理意義/nm輻射能量對(duì)波長(zhǎng)的分布函數(shù)(3)光譜光視效能——功光當(dāng)量4、光通量Φ(客、主觀量)

*(5)電光源（輻射體）發(fā)光效率——遍計(jì)發(fā)光效率*(4)光源的光通量表式★單色光★復(fù)色光

★用I

表示，單位是坎德拉（cd

），簡(jiǎn)稱(chēng)“坎”

1、含義：光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出光通量的空間分布（客、主觀量）2、量度方法：點(diǎn)光源在單位立體角中發(fā)出的光通量的數(shù)值★數(shù)學(xué)表式I應(yīng)當(dāng)是可以測(cè)量●發(fā)光強(qiáng)度是SI制7個(gè)基本物理量之一發(fā)光強(qiáng)度物理意義

二、發(fā)光強(qiáng)度與亮度電燈發(fā)光強(qiáng)度的角分布

●發(fā)光強(qiáng)度數(shù)學(xué)表式●立體角的計(jì)算方法球坐標(biāo)下立體角的求法立體角的幾何意義

●點(diǎn)光源（沿某一i

方向）的發(fā)光強(qiáng)度球坐標(biāo)下立體角的求法

⑴1881年,“燭光”，國(guó)家電工技術(shù)委員會(huì)（用蠟燭發(fā)光）⑵1909年，“國(guó)際燭光”，英法美協(xié)議，白熾燈⑶1937年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM），

規(guī)定“新?tīng)T光”：1940.1.1執(zhí)行⑷1948年，第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)。規(guī)定“坎德拉”為發(fā)光強(qiáng)度單位⑸我國(guó)1979年，建立鉑凝固點(diǎn)黑體光度基準(zhǔn)，±0.3%

3、光度學(xué)基準(zhǔn)的界定及其演變

——燭光——發(fā)光強(qiáng)度

坎德拉是頻率為的單色輻射源，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，在該方向上的輻射強(qiáng)度為1/683瓦特/球面度。（W/sr）——（主、客觀量）

注：540.0154Hz的輻射在空氣中波長(zhǎng)為550nm，即黃綠光4、發(fā)光強(qiáng)度——坎德拉的最新定義（1979年10月，第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)）1（cd）坎德拉=1/683瓦特/球面度（W/sr）

(555nm)

=1流明/球面度（lm/sr）

(555nm)

1(W)瓦特(555nm)輻射通量相當(dāng)于683流明的光通量

1、定義★發(fā)光面法線方向上單位面積之發(fā)光強(qiáng)度★亮度的單位：熙提（sb）即：流明每平方米球面度★亮度——主客觀量：發(fā)光表面的發(fā)光強(qiáng)度分布

亮度的含義2、計(jì)算：r方向上的亮度1、余弦發(fā)光體★朗伯定律●朗伯光源的含義●朗伯光源的物理意義:各個(gè)方向的亮度相同即：L與

無(wú)關(guān)

三、余弦發(fā)光體和定向發(fā)光體●朗伯光源也就是余弦發(fā)光體朗伯光源的亮度

球面朗伯光源的亮度2、朗伯光源亮度的計(jì)算★按照亮度的定義

★朗伯定律★球面朗伯光源dS，其法線方向亮度為（1）球面朗伯光源的亮度

球面朗伯光源的亮度★得球面朗伯光源的亮度

★結(jié)論——球面朗伯光源的亮度與方向無(wú)關(guān)！

★任意方向（比如，與赤道平面垂直方向）亮度為★按照朗伯定律和平面朗伯光源的亮度（2）平面朗伯光源亮度的計(jì)算★法線方向亮度的計(jì)算★任意方向亮度的計(jì)算★按照朗伯定律

★結(jié)論——平面朗伯光源的亮度也與方向無(wú)關(guān)?。?/p>

3、定向發(fā)光體激光器的亮度