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文檔簡介

光和光的傳播第一頁,共八十三頁,2022年,8月28日

學好光學課的重要意義當今科研前沿的熱門學科光學課程是眾多光學相關交叉課程的基礎啟蒙課程:如:光電子技術,激光原理與技術,量子光學,信息學光纖光學,集成光學,光譜學,光子開關術全息光存儲技術,光纖通信技術原理,非線性光學,晶體光學,原子光學,光電信號檢測技術等第二頁,共八十三頁,2022年,8月28日

光學課的特點

內(nèi)容新:中學學得不多,光學發(fā)展很快,新內(nèi)容不斷涌現(xiàn)分支多:幾何光學,干涉,衍射,偏振,光與物質(zhì)的相互作用公式多:大約有近200個公式課程編排特點:

重點是物理光學部分(干涉,衍射,偏振)

第三頁,共八十三頁,2022年,8月28日

如何學好光學課程

課前預習按時聽課及時復習獨立完成作業(yè)要主動答疑第四頁,共八十三頁,2022年,8月28日

參考書a.新概念物理教程《光學》趙凱華b.光學教程姚啟鈞c.光學趙凱華、鐘錫華d.光學母國光e.光學原理玻恩(譽為光學圣經(jīng))第五頁,共八十三頁,2022年,8月28日

第一章光和光的傳播1.1光學發(fā)展及光的本性

人類感官接收到外部世界的總信息量中至少有90%以上通過眼睛;光學是一門古老的學科,又是一門新興的年青學科;激光器誕生后,光學開始了迅猛發(fā)展,成為科研前沿極為活躍的學科。第六頁,共八十三頁,2022年,8月28日

五個時期一、萌芽時期

公元前500年—公元1500年面鏡、眼鏡和幻燈等光學元件已相繼出現(xiàn)(1)“陽燧”取火,金屬凹面鏡;(2)公元前4世紀,《墨經(jīng)》墨家就做過針孔成像和面鏡成像的實驗,并給予分析和解釋。(3)克萊門德(Clemomedes)和托勒密(C.Ptolemy,90--168)研究了光的折射現(xiàn)象;(4)培根(R.Bacon,1214--1294)提出透鏡校正視力和采用透鏡組構(gòu)成望遠鏡的可能性,阿瑪?shù)伲ˋrmati)發(fā)明了眼鏡。

中國古代銅鏡第七頁,共八十三頁,2022年,8月28日二、幾何光學時期

1500~1800,大約300年1、斯涅耳和笛卡兒等建立了光的反射定律和折射定律,奠定了幾何光學的基礎;2、牛頓,伽利略等人研制出了望遠鏡和顯微鏡等光學儀器;3、牛頓為代表的微粒說占據(jù)了統(tǒng)治地位;4、對折射定律的解釋是錯誤的。牛頓制作的反射望遠鏡第八頁,共八十三頁,2022年,8月28日上式與折射定律比較,有亦即:光在光密媒質(zhì)中的速度較大第九頁,共八十三頁,2022年,8月28日三、波動光學時期

1800~1900,近100年1、托馬斯-楊利用實驗成功地解釋光的干涉現(xiàn)象;2、惠更斯-菲涅耳原理成功地解釋了光的衍射現(xiàn)象;3、菲涅耳公式成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象;4、麥克斯韋的電磁理論證明光是電磁波;1888年,赫茲實驗發(fā)現(xiàn)電磁波與光波類似性質(zhì)。5、傅科的實驗證實光在水中傳播的速度小于在空氣中的傳播速度6、波動光學的理論體系已經(jīng)形成,光的波動說戰(zhàn)勝了光的微粒說第十頁,共八十三頁,2022年,8月28日四、量子光學時期

1900~1950,近50年惠更斯-菲涅爾的波動理論帶有機械論色彩,認為光是在彈性介質(zhì)中傳播的彈性波。光的電磁理論主要困難是不能解釋光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象,例如,熾熱黑體輻射中能量按波長分布的問題;3.1900年普朗克提出了能量量子理論,成功解釋黑體輻射問題;4、愛因斯坦提出了光量子理論,成功地解釋光電效應問題。第十一頁,共八十三頁,2022年,8月28日光的兩種互補性質(zhì):傳播過程中顯示波動性與其他物質(zhì)相互作用時顯示粒子性光具有波粒二象性光的本性第十二頁,共八十三頁,2022年,8月28日五、現(xiàn)代光學時期

從1950年至今

1、全息術、光學傳遞函數(shù)和激光的問世是經(jīng)典光學向現(xiàn)代光學過渡的標志2、光學煥發(fā)了青春,以空前的規(guī)模和速度飛速發(fā)展

1)智能光學儀器

2)全息術

3)光纖通信

4)光計算機

5)激光光譜學的實驗方法

6)微納光學(亞波長光學)l/8~l/14imagingresolutionWang,et.al.,nature.2,218(2011)第十三頁,共八十三頁,2022年,8月28日1)任何發(fā)光物體都叫光源。光的發(fā)射包括熱輻射和非熱輻射。2)可見光的波長范圍:頻率:真空中的光速:對應的頻率范圍:

1.2光源與光譜第十四頁,共八十三頁,2022年,8月28日3)光強:

通過單位面積的平均光功率,或者說,光的平均能流密度4)光強表達式:,

分別是相對介電常數(shù)和相對磁率分別是真空介電常數(shù)和真空磁率

第十五頁,共八十三頁,2022年,8月28日在光頻波段

故第十六頁,共八十三頁,2022年,8月28日

真空中電磁波的波動方程:可得:在不同媒質(zhì)中有:在相同介質(zhì)中有:第十七頁,共八十三頁,2022年,8月28日5)相對光強:

注意:光強是一個平均值第十八頁,共八十三頁,2022年,8月28日6)光強定義為一個平均值的原因響應時間:能夠被感知或被記錄所需的最短時間人眼的響應時間:

最好的儀器的響應時間大約:

光波的振動周期:

人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度有實際意義的是光波的平均能流第十九頁,共八十三頁,2022年,8月28日7)、光譜(1)單色光:僅有單一波長的光叫單色光,否則是非單色光。(2)譜密度:

(3)光譜:譜密度隨波長變化的分布曲線

(4)連續(xù)光譜:光譜隨波長的變化分布連續(xù)叫做連續(xù)光譜第二十頁,共八十三頁,2022年,8月28日5)線光譜:光譜集中在一些分立的波長區(qū)間的線狀譜線,就叫線光譜。譜線寬度:每條線光譜在其半強度值處的波長間隔稱為譜線寬度。越小表示光波的單色性越好連續(xù)光譜線光譜第二十一頁,共八十三頁,2022年,8月28日若干元素普通光源的典型譜線第二十二頁,共八十三頁,2022年,8月28日1.3光學的研究對象、分支與應用

光學是研究光的本性、光的產(chǎn)生和傳播、光與物質(zhì)的相互作用,以及光在科學研究和技術中的應用的科學。幾何光學:

(尺度相對光的波長大得多,從而其波動效應不明顯)

波動光學:

研究光的波動性的學科(干涉、衍射、偏振)

量子光學:

研究光和物質(zhì)相互作用的問題(分子、原子尺度)

近代光學:

激光全息傅利葉和非線性光學

從光的直進、反射、折射等基本實驗定律出發(fā),研究成像等光的傳播問題物理光學第二十三頁,共八十三頁,2022年,8月28日物理學家談光學光學現(xiàn)象背后的物理原理,就我們這本書中所涉及的那些來說,在1900年前已經(jīng)大體上系統(tǒng)形成了。從那年以后,光學同物理學的其他部門一樣,由于能量量子的發(fā)現(xiàn)而經(jīng)歷了一場徹底的革命。雖然這個發(fā)現(xiàn)曾深深地影響了我們關于光的本性的見解,但是它并沒有使早先的理論和技術失去作用;只不過是揭示了它們的能力限度,并確定了它們的有效范圍。舊的原理和方法以及它們對許許多多不同情況的應用,一直不斷擴大,而且現(xiàn)在還在繼續(xù)擴大著,勢頭不減。

M玻恩、E沃耳夫,光學原理第二十四頁,共八十三頁,2022年,8月28日

物質(zhì)世界是有層次的,反映物質(zhì)世界的物理學規(guī)律也是有層次的。每一層次的物理學都植根于更深層次的物理學。但是,每個層次的物理都是在真實的意義上不可窮盡的。在大自然千姿百態(tài)的豐富性面前,那些斷言某某學科將不會有什么發(fā)展的說法總是被事實所粉碎的。經(jīng)典力學、經(jīng)典電動力學并不因為量子力學、量子電動力學的發(fā)展而被排斥出物理學,近年來我們還不停地學習它們新的、有深刻意義的進展。光學和凝聚態(tài)物理學半個世紀來的巨大的、令人應接不暇的發(fā)展提供了最能說服人的例子。甘子釗,世紀之交的物理學物理學家談光學第二十五頁,共八十三頁,2022年,8月28日

§2.光的幾何光學傳播規(guī)律2.1幾何光學三定律2.2全反射定律2.3棱鏡與色散2.4光的可逆性原理第二十六頁,共八十三頁,2022年,8月28日光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。2.1幾何光學三定律(1)光的直線傳播定律:例:物體的影子,針孔成像例:海市蜃樓(mirage)第二十七頁,共八十三頁,2022年,8月28日海市蜃樓(mirage)是一種折光現(xiàn)象,由于靠近表面豎直方向上空氣密度的劇烈變化,使得一些遠處的物體在一定區(qū)域形成圖像以代替其真實位置。這些圖像是扭曲的,倒轉(zhuǎn)的或是搖擺的??諝饷芏扰c氣壓、溫度和水蒸氣含量密切相關。第二十八頁,共八十三頁,2022年,8月28日下蜃景(Inferiormirages)出現(xiàn)在真實物體的下方;第二十九頁,共八十三頁,2022年,8月28日上蜃景(Superiormirages)出現(xiàn)在真實物體的上方。

第三十頁,共八十三頁,2022年,8月28日第三十一頁,共八十三頁,2022年,8月28日第三十二頁,共八十三頁,2022年,8月28日(2)光的反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內(nèi)注意:

1)任何截至相對與真空的折射率稱為媒質(zhì)的絕對折射率2)折射率較大的媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì),折射率較小的媒質(zhì)稱為光疏媒質(zhì)3)適用條件:反射和折射面積遠大于光波長時上述定律才成立第三十三頁,共八十三頁,2022年,8月28日斯涅爾定律(W.Snell)介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關,而且與光的波長有關。在同一種介質(zhì)中,長波折射率小,短波的折射率大。第三十四頁,共八十三頁,2022年,8月28日水空氣解:水相對于空氣的折射率為根據(jù)折射定律,有[例題1]

在水中深度為y處有一發(fā)光點Q,作QO垂直于水面,求射出水面折射線的延長線與QO交點的深度與入射角的關系第三十五頁,共八十三頁,2022年,8月28日上式表明,由Q點發(fā)出的不同方向光線,折射后的延長線不再交于同一點。但對于那些接近法線方向的光線若忽略的高階小量,則這時與入射角無關,即折射線的延長線近似地交與同一點,其深度為原發(fā)光點深度的第三十六頁,共八十三頁,2022年,8月28日例2用作圖法求任意入射線在球面上的折射線第三十七頁,共八十三頁,2022年,8月28日證:(1)正弦定律于△HCM(2)三角形相似,△HCM和△MCH’第三十八頁,共八十三頁,2022年,8月28日當光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時,折射角大于入射角;當入射角增大到某一臨界值時,折射光線消失,光線全部反射,此現(xiàn)象叫全反射。2.2全反射定律第三十九頁,共八十三頁,2022年,8月28日全反射臨界角:

的空氣對于的玻璃,臨界角

42ci=o第四十頁,共八十三頁,2022年,8月28日ACB全反射的應用1----全反射棱鏡利用全反射棱鏡改變光線方向,比用一般的平面鏡,能量損失要小得多。參見P10圖1-9第四十一頁,共八十三頁,2022年,8月28日全反射的應用2----光學纖維第四十二頁,共八十三頁,2022年,8月28日(1)棱鏡:由透明媒質(zhì)做成的棱鏡體稱為棱鏡(2)三棱鏡:截面呈三角形的棱鏡叫三棱鏡(3)主截面:與棱邊垂直的平面叫做棱鏡的主截面(4)偏向角2.3棱鏡與色散第四十三頁,共八十三頁,2022年,8月28日折射率求其最小值:

令,且有BC

GD

EFA

最小偏向角的推導第四十四頁,共八十三頁,2022年,8月28日可以得到:當時此時有:

帶入折射定律:

有:

時,

第四十五頁,共八十三頁,2022年,8月28日介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關,而且與光的波長有關。在同一種介質(zhì)中,長波折射率小,短波的折射率大。一束白光入射到兩種介質(zhì)界面上,在折射時不同波長的光將分散開來,這種現(xiàn)象叫做色散。色散第四十六頁,共八十三頁,2022年,8月28日棱鏡光譜儀中的色散元件色散棱鏡就是利用介質(zhì)的這種性質(zhì),將含有多種波長的復色光分散開來。第四十七頁,共八十三頁,2022年,8月28日2.4光路的可逆性原理:當光線的方向反轉(zhuǎn)時,它將逆著同一路徑傳播,稱為光路的可逆性原理。第四十八頁,共八十三頁,2022年,8月28日

§3.惠更斯原理3.1波的幾何描述3.2惠更斯原理的表述3.3對反射定律和折射定律的解釋3.4光的直線傳播問題第四十九頁,共八十三頁,2022年,8月28日§3惠更斯原理3.1波的幾何描述(1)波動:擾動在空間的傳播(2)波面:在同一振源的波場中振動同時到達的各點具有相同的位相,滿足上述條件的振動軌跡的曲面稱為波面或波振面。

(3)波線:波場中繪出一線族,它們每點的切線方向代表改點波擾動的傳播方向。

(4)

球面波與平面波波面波線

球面波

平面波第五十頁,共八十三頁,2022年,8月28日3.2惠更斯原理的表述在t時刻由振源發(fā)出的波擾動傳到了波面S,惠更斯提出,S上的每一面元可以認為是次波的波源,由面元發(fā)出的次波繼續(xù)傳播,在某個t’時刻其總擾動的包絡面形成新的波面?;莞乖碓淼膬?yōu)點:提出了次波概念原理的不足:給不出新波面的強度分布第五十一頁,共八十三頁,2022年,8月28日3.3惠更斯原理對反射、折射定律的解釋

如圖所示

有:

設,則有:

即:

用惠更斯原理解釋反射定律和折射定律第五十二頁,共八十三頁,2022年,8月28日3.4惠更斯原理對直線傳播

問題的解釋

見P18圖1-20及P19圖1-21幾何光學原理的適用范圍:在波長與孔隙線度可比擬甚至大于的情況下,將發(fā)生衍射。幾何光學波動光學。第五十三頁,共八十三頁,2022年,8月28日§4.費馬原理4.1光程定義:如圖,在均勻媒質(zhì)中有:

在m種不同的媒質(zhì)中有:

在折射率連續(xù)變化的媒質(zhì)中:媒質(zhì)1媒質(zhì)2媒質(zhì)34.2光在媒質(zhì)中走過的光程等于在真空中走過的幾何路程證明:,

就有

第五十四頁,共八十三頁,2022年,8月28日4.3光程相同含有的波數(shù)相同:

波數(shù)定義:

已知:

求證:

證明:第五十五頁,共八十三頁,2022年,8月28日已知有:

就有:

這個命題的物理意義:可以通過比較光程比較兩個波動的狀態(tài)差異。第五十六頁,共八十三頁,2022年,8月28日4.4位相差與光程差成正比

Q點的振動方程:

P點的振動方程就是:

其中定義波矢:

設其方向沿波動的傳播方向QP第五十七頁,共八十三頁,2022年,8月28日光程:

則有:

其物理意義:可以通過比較兩個振動的光程來考察兩個振動的步調(diào)差異。位相差:第五十八頁,共八十三頁,2022年,8月28日光在指定的兩點間傳播,實際的光程總是一個極值(最小值、最大值或恒定值)。Fermat原理是幾何光學的基本原理,幾何光學中的三個重要定律——直線傳播定律,反射定律和折射定律——都能從Fermat原理導出。4.5費馬原理的表述(P,Q是二固定點)第五十九頁,共八十三頁,2022年,8月28日在均勻媒介中光的直線傳播定律是費馬原理的顯然結(jié)論。考慮由Q發(fā)出,經(jīng)反射面到達P的光線。相對于反射面取P的對稱點P’,從Q到P任意可能路徑QM’P的長度與QM’P’的長度相等。顯然,直線QMP’是其中最短的一根,從而路徑QMP的長度最短。根據(jù)費馬原理,QMP是光線的實際路徑。由對稱性分析不難看出,

(1)反射定律4.6由費馬原理推導幾何光學三定律

第六十頁,共八十三頁,2022年,8月28日(2)折射定律折射面作yx共面()考慮從A經(jīng)折射面上任一點到B的光線由作的垂線,垂足為考慮由A出發(fā)經(jīng)折射到達B的光線(I)第六十一頁,共八十三頁,2022年,8月28日(II)確定的位置在平面內(nèi),令則故光程總是大于光程而非極小值??梢姽獬套疃痰穆窂綉谄矫鎯?nèi)尋找,即折射光線在入射面內(nèi)。yx第六十二頁,共八十三頁,2022年,8月28日在均勻介質(zhì)中的兩點間(直線傳播)、經(jīng)平面反射的兩點間,以及經(jīng)平面折射的兩點間的實際光路均是光程取極小值的情形。成象系統(tǒng)的物點和像點之間為光程取穩(wěn)定值的情形。第六十三頁,共八十三頁,2022年,8月28日§5.光度學基本概念1)光度學和輻射度學光度學:研究光的強弱的學科輻射度學:研究各種電磁輻射強弱的學科第六十四頁,共八十三頁,2022年,8月28日2)輻射能通量(輻射功率)和輻射能通量的譜密度單位時間內(nèi)光源發(fā)出或通過一定接收截面的輻射能

單位:瓦

輻射能通量的譜密度:

輻射能通量的定義:第六十五頁,共八十三頁,2022年,8月28日3)視見函數(shù)定義:

V=1實驗表明:

要引起與1mw的5550A的綠光相同亮暗感覺的4000A紫光需要2.5w.時,

,

在4000A---7600A范圍以外,V實際上已趨于0第六十六頁,共八十三頁,2022年,8月28日4)適光性和適暗性視見函數(shù)由于眼睛里的圓錐和圓柱視神經(jīng)細胞在分別起作用,形成了適光性和適暗性視見函數(shù)。在昏暗的環(huán)境中,視見函數(shù)的極大值朝短波方向移動。所以在月光朦朧的夜晚,總感到周圍的一切籠罩了一層藍綠的色彩。第六十七頁,共八十三頁,2022年,8月28日5)光通量定義:

光源發(fā)出的輻射能通量通過視見函數(shù)的權(quán)重因子折合成對人眼起作用的有效視覺強度稱為光通量。單位:流明,

記作:

有:

或者:

最大光功當量,

第六十八頁,共八十三頁,2022年,8月28日6)發(fā)光強度和輻射強度(1)點光源和面光源:(2)發(fā)光強度I:單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量,

單位:坎德拉,

其中

,

點光源r第六十九頁,共八十三頁,2022年,8月28日(3)注意:(a)發(fā)光強度的符號與光強的符號雖然相同,但與光強不是一個概念。(b)發(fā)光強度與方向有關,方向不同發(fā)光強度不同。(4)輻射強度:單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量,

其中

,

單位:

,

第七十頁,共八十三頁,2022年,8月28日7)光亮度和輻射亮度(1)光亮度:面元ds沿r方向的光度學亮度B定義為在此方向上單位投影面積的發(fā)光強度單位:

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