CH1光传播全解课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,光学,OPTICS,绪 论,光学研究范围,光学,光现象的科学,：光学是物理学的组成部分。它研究的对象是光。研究的内容包括光的本性，光的发射、传播、接收，以及光和物质的相互作用等,。,麦克斯韦电磁理论认为，光是一种电磁波,各种,色视,觉对,应的,波长,和频,率范,围：,色 视 觉,频率 /Hz,真空中波长 /nm,红,(3.94.8)10,14,760630,橙,(4.85.0)10,14,630600,黄,(5.05.3)10,14,600570,绿,(5.36.0)10,14,570500,青,(6.06.7)10,14,500450,蓝,(6.77.0)10,14,450430,紫,(7.07.7)10,14,430390,认识,电磁波谱与可见光范围,760nm,390nm,可见光,电 磁 波 谱,红外线,紫外线,射线,X,射线,长波无线电波,频率,波长,短波无线电波,从量子观点看，光场是由一个个,光子,组成。光子是光的最小单位，每个光子的能量 和它的频率 之间的关系为,式中 是普朗克常数，其数值为,光子也具有,动量,，它的方向为光子的运动方向（即光传播方向），其值为,式中,c,为真空中的光速，,1983,年第十七届国际计量大会通过其值为,c,=,299 792 458 m/s,认识,光既有波动性也有粒子性，即具有,波粒二象性,。,普朗克常数非常小，,一个光子的能量也非常小,。,一般情况下我们遇到,极大数量,的光子，明显,表现波动性,。在,光极其弱,的情况下，以及光和物质相互作用的某些特殊情况下，其,量子特性,才会明显地表现出来。,认识,基于所采用的物理模型不同,光学可分为几何,光学,和,物理光学,（波动光学，量子光学）,波动光学是主体,光学发展历史回顾,1. 3000,年前及更早，埃及、中国使用铜镜,;,公元前,4,世纪,在中国和希腊已有关于光学现象的记录,:,墨翟,(,公元前,468-376),所著,中关于几何光学的八条记载,约,100,年后，欧几里得,(Euclid,约前,330-275,年,),宣布,反射定律,阿拉伯科学家伊本,海赛木,光学,：进一步说明了,反射定律,（入射光线与反射光线在同一平面内,球面镜、抛物面镜的性质、人眼结构）,沈括（公元,1031,1095,）：,直线传播、球面镜成像,深入研究,2.,17,世纪几何光学基础已奠定：如费马的最小时间原理，斯涅耳的实验发现折射定律，笛卡尔将此表为正弦形式,物理光学的实验研究始于,17,世纪：格里马耳迪,(,1618,1663,),首次详细描述衍射现象,胡克和玻意耳各自独立发现牛顿环，即在白光下薄膜的彩色干涉图样,胡克主张光由振动组成,1690,年，惠更斯,(,C.Huygens,),在,论光,中阐发了光的波动学说并提出著名的惠更斯原理,3. 1704,年牛顿出版,光学,：棱镜分光,(,白光为复合光,),，牛顿环的生成及色序，牛顿认为光的本性是微粒，并提出光的,“,侧边,”,概念，对偏振光的天才猜想。,4. 19,世纪波动学说达到尽善尽美境界,1801-1803,杨氏双缝实验,干涉条纹,菲涅耳：,惠更斯,-,菲涅耳原理,成功解释了衍射现象,1850,年傅科用旋转镜法,测定光速,，,说明光在水中的速度比在空气中小,(,这是波动光学预言的结果,),麦克斯韦和谐优美的,方程组及电磁波理论,5. 19,世纪到,20,世纪：深入研究光与物质相互作用出现的经典理论与黑体辐射能谱间的矛盾,开尔文称为,“,笼罩在物理学上空的两朵乌云,”,之一。,普朗克,1900,年提出量子假说,1905,年爱因斯坦提出光子学说,成功解释光电效应,光子的概念,1924,年德布罗意提出物质波,(,每一粒子的运动都与一定的波长相联系,),由电子通过金属箔的衍射实验证实,20,年代中期,薛定谔、海森伯、狄拉克和玻恩等人建立了量子力学,波动性和粒子性在新的形式下得到统一,光学与光通信,傅立叶光学,空间滤波、图像识别,光学信息处理,全息学、干涉计量、特征识别、高密,度储存、三维显示,1935,年泽尼克提出了相衬原理；,1948,年伽柏发明全息术；,50,年代通讯理论和光学的结合，产生了傅里叶光学,光学信息处理的理论和技术奠定了基础。,90,年代迅速发展的分数傅里叶光学是傅里叶光学的发展和延拓，为光学信息处理开辟了更广的领域。,光学现代进展简介,激光,：高强度、高相干性,全息术得益于激光器的问世,通讯、测距、加工、医疗光谱学、激光制导、激光武器、激光热核聚变,、,非线性光学,介质中的非线性叠加,如倍频、混频、自聚焦等。,1960,年第一台红宝石激光器的发明是光学发展的一个新里程碑。它是,20,世纪继原子能、半导体、计算机之后的又一重大发明。,计算机延伸了人的大脑，而激光延伸了人的感官，成为探索大自然奥秘的,“,超级探针,”,。,大量分支和交叉学科的涌现是,20,世纪现代光学发展的重要标志。,薄膜光学、纤维光学（导波光学）、集成光学、激光光谱学、二元光学、瞬态光学、量子光学、原子光学、激光物理、激光化学、激光生物学等等。,光和光的传播,1,几何光学基本定律,1.1,几何光学三定律,1.2,全反射,1.3,棱镜与色散,1.4,光的可逆性原理,1.1,几何光学三定律,1、光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播,2、光的反射定律和折射定律,sini,1,/sini,2,=n,12,(,常数,),斯涅耳定律,n,12,：第二种媒质相对第一种媒质的折射率,（,W,，,snell, 1621,）,几何光学是以三个实验定律为基础建立的。它是各种光学仪器设计的理论根据。,光反射定律和折射定律：,（,1,） 反射线与折射线都在入射面内,（,2,） 反射角等于入射角,（,3,） 折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的常数,绝对折射率,：,任何媒质相对于真空的折射率称为该媒质的绝对折射率。,相对折射率,：,第二种媒质相对第一种媒质的折射率,n,12,=n,2,/n,1,因为,n,12,=n,2,/n,1,因此对斯涅耳定律还可写成如下形式：,n,1,sini,1,=n,2,sini,2,光密媒质,：,折射率较大的媒质称光密媒质,光疏媒质,：,折射率较小的媒质称光疏媒质,在点光源的照射下，在不透明的物体背后出现清晰的影子，影子的形状与以光源为中心发出的直线所构成的几何投影形状一致,1.,物体的影子,如果在一暗箱前壁上开一小孔，由物体上各点发出的光线将沿直线通过小孔，在暗箱后壁上,形成,一倒立的像。,2.,小孔成像,如果光在,非均匀媒质,中传播时：,光线将因折射而弯曲，这种现象经常发生在大气中，例如在海边有时会看到海市蜃楼昙花一现的自然景观。其原因是光线在密度不均匀的大气中折射引起的。,3.,海市蜃楼,动 光 学,双折射现象,波,动 光 学,方解石晶体,4.,各向异性的晶体中产生的双折射现象,几何光学三定律适用条件,：,任何一个实验规律都有它的,适用范围,：,是空间障碍物以及反射和折射界面的尺寸远大于光的波长时才成立。（几何光学是波动光学在波长,-0,时的极限情形）,【,例题,1】,用作图法求任意入射线在球面上的折射线。两种媒质,1,2,折射率分别为,n,和,n,。且,nn,2,),时，由折射定律知,i,1,i,c,时，折射线消失，光线全部反射，这种现象称,全反射,。,i,c,称,全反射临界角,i,c,=sin,-1,(n,2,/n,1,),从水到空气,i,c,49,o,各种玻璃到空气,i,c,30,0,42,o,光全反射应用的例子：,（,1,）全反射棱镜,光学仪器中常利用各种全反射棱镜来改变光线方向。缩短仪器尺寸。或者将倒置的画面再正过来。,直角棱镜,波罗（,porro,）棱镜,（,2,） 光学纤维（简称光纤）,折射率突变的光纤,折射率渐变的光纤,1.3,棱镜与色散,棱镜是由透明媒质（如玻璃）做成的棱柱体。棱镜有三棱镜，五棱镜，角锥棱镜等。,截面呈三角形的棱镜叫,三棱镜。,与棱边垂直的平面叫做,棱镜的主截面。,下面我们讨论光线在,三棱镜主截面,内折射的情况。,偏向角 与,i,1,i,2,i,2,i,1,以及棱角,之间的几何关系：,=(i,1,-i,2,)+(i,1,-i,2,)=(i,1,+i,1,)-(i,2,+i,2,)=i,1,+i,1,-,(1),=i,2,+i,2,(2),nsini,2,=sini,1,(3),nsini,2,=sini,1,(4),上式表明：对于给定的棱角,，偏向角随,i,1,而变。由实验得知：在随,i,1,改变中，对于某一,i,1,值，偏向角有最小值,m,，,m,称最小偏向角。,可以证明,产生,最小偏向角,的,充要条件,：,当：,或者,：,时,则在三棱镜的最小偏向角和顶角已知时可求出棱镜材料的折射率,n,棱镜主要用途：,(1),全反射棱镜,(2),测定三棱镜的最小偏向角和 求出棱镜材料的折射率,n,(3),棱镜还是一种色散元件，主要应用于与分光。即利用棱镜对不同的波长的光有不同的折射率性质来分析光谱。,色散,：,n,与,有关，这一现象叫做色散。,通常棱镜的折射率,n,是随波长,的减小而增加的，这种色散通常称,正常色散,，有经验公式,n=A+B/,2,+C/,4,A+B/,2,(,变化范围不大时,),白光,：,具有和太阳连续光谱相似的多色混合光。,棱镜光谱仪便是利用棱镜的这种分光作用制成的，它是研究光谱的重要仪器。,1.4,光的可逆性原理,从几何光学的基本定律不难看出，如果光线逆着反射线方向入射，则这时的反射线将逆着原来的入射线方向传播，如果光线逆着折射线方向由媒质,2,入射，则射入媒质,1,的折射线也将逆着原来的入射线方向传播，也就是说，当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播。这个带有普遍性的结论称为,光的可逆性原理,。,2,惠更斯原理,2.1,波的几何描述,2.2,惠更斯原理的表述,2.3,对反射和折射定律的解释,2.4,直线传播问题,2.1,波的几何描述,举例：由点振源,Q,发出的波，在各向同性的均匀媒质中的波面为以振源,Q,为圆心的球面。,波面为球面的波称为,球面波,。,在离振源很远的地方，波面趋于一个平面，这种波称为,平面波,。,球面波的波线,平面波的波线,波线,设想在同一波场中给出一线族，它们每一点切线方向代表该点波扰动传播方向或能量流动方向，这样的线族称为,波线,。,在各向同性媒质中，波线总是和波面正交的。,2.2,惠更斯原理的表述,惠更斯认为：这些次波面的包络面,S,是,t,时刻总扰动的波面。,某一时刻,t,，由振源发出的波，扰动传播到了波面,S,。惠更斯提出：,S,上的每个面元都可以认为是次波波源，由面元发出的次波向四面八方传播，在以后,t,时刻形成的次波面，在各向同性均匀媒质中是以,v,t,为半径的球面，这里,v,为波速，,t=t,-t,2.3,对反射与折射定律的解释,当光线,1,到达,A,1,同时,光线,2,到达,A,2,光线,3,到达,A,3,光线,n,到达,A,n,光线,2,还要经 时间才能到达,B,2,光线,3,还要经 时间才能到达,B,3,光线,n,还要经 时间才能到达,B,n,每条光线到达分界面上时，都同时发射两个次波。反射次波和折射次波,反射次波,向媒质,1,内发射反射次波,当光线,n,到达,B,n,点时，,A,1,点发出的反射次波波面和透射次波波面分别是以,V,1,t,n,V,2,t,n,半径的半球面。,B,2,点发出的反射次波波面和透射次波波面分别是以,V,1,（,t,n,-t,2,），,V,2,（,t,n,-t,2,）为半径的半球面。,按惠更斯原理：,这一时刻,总扰动的波面,是这些,次波面的包络面,反射次波,和,透射次,波,总扰动的波面是这些次波的波面的,包络面,，且包络面是通过,B,n,点的平面。,设,反射波,总扰动的波面与各次波面相切于,C,1,C,2,C,3,C,n,透射波,总扰动的波面与各次波面相切于,D,1,D,2,D,3,D,n,连接,次波源,与,切点,，即得总扰动的,波线,即反射光线,A,1,C,1,B,2,C,2,透射光,线（折射光线）,A,1,D,1,B,2,D,2,A,1,C,1,=A,n,B,n,A,1,B,n,公共边,RTA,1,C,1,B,n,RTA,1,A,n,B,n,A,n,A,1,B,n,=A,1,B,n,C,1,又 ,A,n,A,1,B,n,=i,1,A,1,B,n,C,1,=i,1,i,1,=i,1,下面证明,反射定律,在,A,1,A,n,B,n,A,1,B,n,D,1,中,（折射定律导出）,(,常数,),在折射定律中,由此可见，一种媒质的绝对折射率为,v,为该种媒质中的光速，,n,的物理意义,光在两种媒质中传播速度之比。,从 看出，光在光密媒质中传播速度小，这个结论与实验相符。,2.4,用惠更斯原理解释直进性,由惠更斯原理知，波面,AB,上每个面元都是一个次波中心，,t,时刻,AB,部分每一点发出的次波面是以,vt,为半径的球面，这些次波面的包络面为,CD,，可见,CD,也是以,Q,为中心的球面的一部分。,按惠更斯的说法，只有各次波面的包络面,CD,上发生可察觉的总扰动，即包络面两侧,C,和,D,之外的扰动是可以忽略不计的。所以,QAC,和,QBD,就是透过孔隙的边缘线，它们都是直线。惠更斯就这样说明了波的直进性。,以上解释并不令人十分满意，因为,CD,两侧之外还有次波存在着，为什么次波在这些地方不发生作用呢？,当孔较大时，如图（,a,）波面是以一点为圆心的球面，波沿直线传播,当孔较小时，如图（,b,）波的传播开始偏离直线,当孔十分小时，如图（,c,）在障板后面看来，好象波从小孔那里重新发出似的，这时完全谈不上直进性。,水波的衍射：,（,a,）,（,b,）,（,c,）,惠更斯原理不能完满的解释波的直进性和衍射现象的矛盾，其原因是此原理未能,定量地,给出,次波面上,和包络面以外,波扰动强度,的分布。,随着科学的进展，这个问题直到一百多年以后才得到解决。原来波的直进性只有,当波长远小于孔隙线度,a,时才近似成立，因此，我们说几何光学是,短波,的极限情形。,3,费马原理,3.1,光程,3.2,费马原理的表述,3.3,由费马原理推导几何光学三定律,3.1,光程,1),光程,L,的定义,光在均匀媒质中传播的几何路程,l,与该种媒质的折射率,n,相乘积。,费马用光程的概念把几何光学三定律归结为一个统一的原理中。这个原理就是费马原理。,（,1,） 光在折射率为,n,的均匀媒质中由,Q,传播到,P,，则光程,L,等于,n,乘,l,。,3.2,费马原理的表述,3.3,费马原理解释几何光学定律,反射定律：,从,Q,到,P,任意可能的路径,QM,P,的长度与,QM,P,相等，显然，直线,QMP,是其中最短的一根，从而路径,QMP,的长度最短。根据费马原理，,QMP,是光线的实际路径，由对称性不难看出,i=i,。,考虑从,Q,经折射面,上任一点,M,到,P,的任意可能的光线,QMP,。由,M,作垂足,QP,联线的垂线交于,M,点，不难看出,即光线,QMP,在,平面上的投影,QMP,比,QMP,光程更短。,是折射面，垂直于黑板面,由,Q,点发出经,折射到达,P,点的光线作,QQ , PP,QQll PP,，故共面,(QQPP),称此平面为,。,（,QMP,）,(QMP),可见最短的光程应,在,平面上,令,=h,1,=h,2, QM=x, QP=P, PM=P-x,则,(QMP)=n,1,(h,1,2,+x,2,),1/2,+ n,2,h,2,2,+(P-x),2,1/2,光程取极值条件,又,即,n,1,sini,1,=n,2,sini,2,光学仪器中很大一部分是成像的的仪器，如显微镜，望远镜，投影仪和照相机等皆是。成像是几何光学要研究的中心问题之一。下面介绍一些成像的基本概念。,