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任 课 教 师 ： 邵 凤 兰 学 好 光 学 课 的 重 要 意 义n 当 今 科 研 前 沿 的 热 门 学 科n 光 学 课 程 是 众 多 光 学 方 面 课 程 的 基 础 启 蒙 课 程 如 ： 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 术 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 的 特 点 内 容 新 ： 中 学 学 得 不 多 ， 光 学 发 展 很 快 ， 新 内 容 不 断 涌 现 分 支 多 ： 几 何 光 学 ， 干 涉 ， 衍 射 ， 偏 振 ， 光 与 物 质 的 相 互 作 用公 式 多 ： 大 约 有 近 200个 公 式课 程 编 排 特 点 ： 重 点 是 物 理 光 学 部 分 (干 涉 ， 衍 射 ， 偏 振 ) 如 何 学 好 光 学 课 程 n 课 前 预 习n 按 时 听 课n 及 时 复 习n 独 立 完 成 作 业n 要 主 动 答 疑 参 考 书 参 考 书a. 光 学 教 程 姚 启 钧b. 新 概 念 物 理 教 程 光 学 赵 凯 华c. 光 学 赵 凯 华 、 钟 锡 华d. 光 学 母 国 光e. 光 学 吴 强 课 程 安 排 a. 期 中 测 验 20%b. 习 题 10%c. 期 末 考 试 70%d. 常 规 答 疑 两 周 一 次 一 、 光 学 发 展 的 概 况 人 类 感 官 接 收 到 外 部 世 界 的 总 信息 量 中 至 少 有 90 以 上 通 过 眼 睛 光 学 是 一 门 古 老 的 学 科 ， 又 是 一门 新 兴 的 年 青 学 科 激 光 器 诞 生 后 ， 光 学 开 始 了 迅 猛发 展 ， 成 为 科 研 前 沿 极 为 活 跃 的 学 科 五 个 时 期一 、 萌 芽 时 期 公 元 前 500年 公 元 1500年 经 历 大 约 2000年 面 镜 、 眼 镜 和 幻 灯 等 光 学 元 件 已 相 继 出 现 二 、 几 何 光 学 时 期 15001800， 大 约 300年1、 建 立 了 光 的 反 射 定 律 和 折 射 定 律 ， 奠 定 了 几 何 光 学 的 基 础2、 研 制 出 了 望 远 镜 和 显 微 镜 等 光 学 仪 器3、 牛 顿 为 代 表 的 微 粒 说 占 据 了 统 治 地 位4、 对 折 射 定 律 的 解 释 是 错 误 的 上 式 与 折 射 定 律 比 较 ， 有亦 即 ： 光 在 光 密 媒 质 中 的 速 度 较 大2 1v vn n1 1 1 2 2 2v v sin v v sint ti i 1 2 2 1sin /sin v /vi i 1221 /sin/sin nnii 2 1 2 1v /v /n n 1v t1v n 1v 1i 2i 2v2v n 2vt2 1n n 三 、 波 动 光 学 时 期 18001900， 近 100年1、 杨 氏 利 用 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 偏 振 现 象4、 麦 克 斯 韦 的 电 磁 理 论 证 明 光 是 电 磁 波5、 傅 科 的 实 验 证 实 光 在 水 中 传 播 的 速 度 小于 在 空 气 中 的 传 播 速 度6、 波 动 光 学 的 理 论 体 系 已 经 形 成 ， 光 的 波动 说 战 胜 了 光 的 微 粒 说 四 、 量 子 光 学 时 期 19001950， 近 50年1、 1900年 普 朗 克 提 出 了 量 子 假 说 ， 成 功 地 解 释 了 黑 体 辐 射 问 题2、 爱 因 斯 坦 提 出 了 光 子 假 说 ， 成 功 地 解 释 了 光 电 效 应 问 题3、 光 的 某 些 行 为 象 经 典 的 “ 波 动 ”4、 另 一 些 行 为 却 象 经 典 的 “ 粒 子 ” 光 的 两 种 互 补 性 质 ：传 播 过 程 中 显 示 波 动 性与 其 他 物 质 相 互 作 用 时 显 示 粒 子 性光 具 有 波 粒 二 象 性光 的 本 性 五 、 现 代 光 学 时 期 从 1950年 至 今 1、 全 息 术 、 光 学 传 递 函 数 和 激 光 的 问 世 是 经 典 光 学 向 现 代 光 学 过 渡 的 标 志2、 光 学 焕 发 了 青 春 ， 以 空 前 的 规 模 和 速 度 飞 速 发 展 1） 智 能 光 学 仪 器 2） 全 息 术 3） 光 纤 通 信 4） 光 计 算 机 5） 激 光 光 谱 学 的 实 验 方 法 二 、 光 强 760040001） 可 见 光 的 波 长 范 围 ： 其 中 ： 频 率 ： 真 空 中 的 光 速 ： 对 应 的 频 率 范 围 ： cm8101 /c smc /103 8 Hz14109.35.7 2） 光 强 ： 通 过 单 位 面 积 的 平 均 光 功 率 ， 或 者 说 ， 光 的 平 均 能 流 密 度3） 光 强 表 达 式 ： ， 分 别 是 相 对 介 电 常 数 和 相 对 磁 率 分 别 是 真 空 介 电 常 数 和 真 空 磁 率 HES HE HE 00 2 00 EHES , ,0 0 在 光 频 波 段 故 10 01/ 00/1 c/n c 2 0200 EcnnES 真 空 中 电 磁 波 的 波 动 方 程 ： 可 得 ：在 不 同 媒 质 中 有 ：在 相 同 介 质 中 有 ： 0 cos( )E E t 2 2 2 20 01cos ( ) (1 cos(2( )2E E t E t 2 2 200 00 01 1 cos ( )T Tn nI S E dt E t dtT c T c 2 20 000 0(1 cos(2( )2 2Tn nI E t dt Ec T c 2022 201121 En EnII 20nEI 4） 相 对 光 强 ： 注 意 ： 光 强 是 一 个 平 均 值20EI 20 02 nI S Ec 5） 光 强 定 义 为 一 个 平 均 值 的 原 因响 应 时 间 ： 能 够 被 感 知 或 被 记 录 所 需 的 最 短 时 间人 眼 的 响 应 时 间 ： 最 好 的 仪 器 的 响 应 时 间 大 约 ： 光 波 的 振 动 周 期 ： 人 眼 和 接 收 器 只 能 感 知 光 波 的 平 均 能 流 密 度有 实 际 意 义 的 是 光 波 的 平 均 能 流 st 1.0 s910sT 1510 Tt 三 、 光 谱1） 单 色 光 ： 仅 有 单 一 波 长 的 光 叫 单 色 光 ， 否 则是 非 单 色 光 。2） 谱 密 度 ： 3） 光 谱 ： 谱 密 度 随 波 长 变 化 的 分 布 曲 线 4） 连 续 光 谱 ： 光 谱 随 波 长 的 变 化 分 布 连 续 叫 做 连 续 光 谱 ddI ddIi )( 00 )( didII 5） 线 光 谱 ： 光 谱 集 中 在 一 些 分 立 的 波 长 区间 的 线 状 谱 线 ， 就 叫 线 光 谱 。谱 线 宽 度 ： 每 条 线 光 谱 在 其 半 强 度 值 处 的 波 长 间 隔 称 为 谱 线 宽 度 。 越 小 表 示 光 波 的 单 色 性 越 好 连 续 光 谱 线 光 谱 ddI ddI 1 2 3 光 学 的 研 究 对 象 、 分 支 与 应 用 光 学 是 研 究 光 的 传 播 以 及 它 和 物 质 相 互 作 用 问 题 的 学 科 几何光学： （尺度相对光的波长大得多，从而其波动效应不明显） 波动光学： 研究光的波动性的学科（干涉、衍射、偏振） 量子光学： 研究光和物质相互作用的问题（分子、原子尺度） 近代光学: 激光全息傅利叶和非线性光学 从光的直进、反射、折射等基本实验定律出发，研究成像等光的传播问题 1 几 何 光 学 基 本 定 律1.1 几 何 光 学 三 定 律1.2 全 反 射 定 律 1.3 棱 镜 与 色 散1.4 光 的 可 逆 性 原 理 光 在 均 匀 媒 质 里 沿 直 线 传 播 。1.1 几 何 光 学 三 定 律（ 1） 光 的 直 线 传 播 定 律 ：例 ： 物 体 的 影 子 , 针 孔 成 像例 ： 海 市 蜃 楼 (mirage) 海 市 蜃 楼 (mirage)是 一 种 折 光 现 象 ， 由 于 靠近 表 面 竖 直 方 向 上 空 气 密 度 的 剧 烈 变 化 ， 使得 一 些 远 处 的 物 体 在 一 定 区 域 形 成 图 像 以 代替 其 真 实 位 置 。 这 些 图 像 是 扭 曲 的 ， 倒 转 的或 是 摇 摆 的 。空 气 密 度 与 气 压 、 温 度 和 水 蒸 气 含 量 密 切 相 关 。 1 1p(pressure) ( ) T (temperature) vap (water vapour content)air 下 蜃 景 (Inferior mirages) 出 现 在 真 实 物 体 的下 方 ； 上 蜃 景 (Superior mirages)出 现 在 真 实 物体 的 上 方 。 （ 2） 光 的 反 射 和 折 射 定 律反 射 线 与 折 射 线 都 在 入 射 面 内11 ii 注 意 ： 1） 称 为 媒 质 的 绝 对 折 射 率 2） 折 射 率 较 大 的 媒 质 称 为 光 密 媒 质 ， 折 射 率 较 小 的 媒 质 称 为 光 疏 媒 质 3） 适 用 条 件 ： 反 射 和 折 射 面 积 远 大 于 光 波 长 时 上 述 定 律 才 成 立 21 nn； 2211 sinsin inin 1 1 2 2sin sinn i n i斯 涅 尔 定 律 （ W.Snell） 介 质 折 射 率 不 仅 与 介质 种 类 有 关 ， 而 且 与 光的 波 长 有 关 。 在 同 一 种介 质 中 ， 长 波 折 射 率 小 ，短 波 的 折 射 率 大 。 QQ 1i MO 2iy xy( 4/3)n n1 1 2sin sinn i i1tanxy i 2tanxy i 2 2 1 1 1 2 2 2 1 11 sintan sin costan sin cos cosy n ii i iy y yi i i n i 1iyQ ( 0)i2( )O i2sin 0i cos 1i yy ny i Q 1 3 4n 例 2 用 作 图 法 求 任 意 入 射 线 在 球 面 上 的 折 射 线 证 ：（ 1） 正 弦 定 律 于 HCM,sin sin sin sinCH CM ri i 即sin sin i nn （ 2） 三 角 形 相 似 ， HCM和 MCH i n sini n sini 当 光 线 从 光 密 媒 质 射 向光 疏 媒 质 时 ， 折 射 角 大于 入 射 角 ； 当 入 射 角 增大 到 某 一 临 界 值 时 ， 折射 光 线 消 失 ， 光 线 全 部反 射 ， 此 现 象 叫 全 反 射 。1.2 全 反 射 定 律 全 反 射 临 界 角 ： )/(sin 121 nnic 的 空 气 对 于 的 玻 璃 ， 临 界 角 2 1n 1 1.5n 42ci A CB 45全 反 射 的 应 用 -全 反 射 棱 镜利 用 全 反 射 棱 镜 改 变 光线 方 向 ， 比 用 一 般 的 平面 镜 ， 能 量 损 失 要 小 得多 。 参 见 P15图 1-7 全 反 射 的 应 用 -光 学 纤 维 （ 1） 棱 镜 ： 由 透 明 媒 质 做 成 的 棱 镜 体称 为 棱 镜（ 2） 三 棱 镜 ： 截 面 呈 三 角 形 的 棱 镜 叫三 棱 镜（ 3） 主 截 面 ： 与 棱 边 垂 直 的 平 面 叫 做棱 镜 的 主 截 面（ 4） 偏 向 角 1.3 棱 镜 与 色 散 2i折 射 率 )()()()( 22112121 iiiiiiii 22 ii 求 其 最 小 值 ： 01 did 02 12 did 令 ， 且 有 B C G2i 1i1i nD E F A m最 小 偏 向 角 的 推 导1 1i i ,11 ii 22 ii 可 以 得 到 ： 当 时 m 此 时 有 ： 21 mi 2/2 i带 入 折 射 定 律 ： 1221 /sin/sin nnii 2sin 2sin 12 mnn 有 ： 时 ， nnn 21 1， 2sin 2sin mn 色 散 光 的 可 逆 性 原 理 :当 光 线 的 方 向 反 转 时 ， 它 将 逆 着 同 一路 径 传 播 ， 称 为 光 的 可 逆 性 原 理 。 思 考 题习 题 ： 2， 5， 7， 11， 14
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