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,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,*,第一章,光和光的传播,Questions:,这两个光源的颜色（,=,？）,实验观测时，下面两种情况的不同：只有一个光源照明；两个光源同时照明。,两个光源同时照明时，两个光源之间互相影响吗？,光源发出的光是如何传播的？,在下面,三,种情况下，观察者看到的光源有什么相同和不同：在观察者和光源之间放置,【,0,个；,1,个；,2,个,】,透明晶体片，已知每个晶体片本身不吸收光。,绪 论,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,.,光学发展的五个时期,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,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,三、波动光学时期,1,、杨氏利用实验成功解释了光的干涉现象,2,、惠更斯菲涅耳原理成功解释了光的衍射,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,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,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,1,）,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：,电磁波（包括光波），只要光子能量不变，其光波频率就不变。,E=,h,，,E,是光子能量，,h,是普朗克常数，,是光波频率。,在不同介质里频率不变，但是波速要变，所以,波长,肯定变，波长变了光的颜色应该要变吧？ 光的颜色由频率确定，而频率是光源的性质，与光通过的介质没有关系。波长改变，是与,光速,改变相适应的，与频率没有关系！,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,在光频波段,故,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：,4,）相对光强：,注意：,光强是一个平均值,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,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,.,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,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,第一章 光和光的传播,2,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。,2.1,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,。,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,注意,：,1,）,n,1,和,n,2,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,.,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。,水,空气,解,:,水相对于空气的折射率为,根据折射定律，有,例题,1,在水中深度为,y,处有一发光点,Q,，作,QO,垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与,QO,交点 的深度 与入射角 的关系,.,上式表明，由,Q,点发出的不同方向光线，折射后的延长线不再交于同一点。,但对于那些接近法线方向的光线,若忽略 的高阶小量，则,这时 与入射角 无关，即折射线的延长线近似地交与同一点 ，其深度为原发光点深度的,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,（,2,）三角形相似，,HCM,和,MCH,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。,2.2,全反射定律,全反射临界角：,的空气对于 的玻璃，临界角,42,c,i,=,o,A,C,B,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。,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,:,2.3,棱镜与色散,折射率,求其最小值：,令,且有,B,C,G,D,E,F,A,最小偏向角 的推导,可以得到：当,时,此时有：,带入折射定律：,有：,时，,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。一束白光入射到两种介质界面上，在折射时不同波长的光将分散开来，这种现象叫做,色散。,色散,棱镜光谱仪中的色散元件色散棱镜就是利用介质的这种性质，将含有多种波长的复色光分散开来。,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。,波面,波线,3,惠更斯原理,2.1,波的几何描述,波动：,扰动在空间的传播,波面：,（,1,）在同一振源的波场中,（,2,）振动同时到达的各点具有相同的位相,满足上述条件的振动轨迹称为波面或波振面。,球面波： 平面波： 波线：,波面与波线,球面波,平面波,3.2,惠更斯原理的表述,在,t,时刻由振源发出的波扰动传到了波面,S,，惠更斯提出，,S,上的每一面元可以认为是次波的波源，,惠更斯原理,原理的优点：,提出了次波概念,原理的不足：,给不出新波面的强度分布,惠更斯原理,3.3,惠更斯原理对反射、 折射定律的解释,如图所示,有：,设,，,则有：,即：,用惠更斯原理解释,反射定律和折射定律,4,费马原理,4.1,光程定义：,如图，在均匀媒质中有：,在,m,种不同的媒质中有：,在折射率连续变化的媒质中：,媒质,1,媒质,2,媒质,3,4.2,光在媒质中走过的光程等于,在真空中走过的几何路程,证明：,，,就有,4.3,光程相同含有的波数相同：,波数定义：,已知：,求证：,证明：,已知有：,就有：,这个命题的物理意义：,可以通过比较光程比较两个波动的状态差异。,4.4,位相差与光程差成正比,Q,点的振动方程：,P,点的振动方程就是：,其中,定义波矢：,设其方向沿波动的传播方向,Q,P,光程：,则有：,其物理意义：,可以通过比较两个振动的光程来考察,两个振动的步调差异。,位相差：,在真空中波长为,的单色光，在折射率为,n,的透明介质中从,P,沿某路径传到,Q,，若,P,、,Q,两,点位相差为,5,，则路径,PQ,的光程为,:,(1) 5,(2) 5n,(3) 2.5,(4) 2.5n,(5),无法判断,光在指定的两点间传播，实际的,光程,总是一个极值（最小值、最大值或恒定值）。,Fermat,原理是几何光学的基本原理，几何光学中的三个重要定律,直线传播定律，反射定律和折射定律,都能从,Fermat,原理导出。,4.5,费马原理的表述,(P,Q,是二固定点,),在均匀媒介中光的直线传播定律是费马原理的显然结论。,考虑由,Q,发出，经反射面到达,P,的光线。相对于反射面取,P,的对称点,P,从,Q,到,P,任意可能路径,QM,P,的长度与,QM,P,的长度相等。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。由对称性分析不难看出，,（,1,）反射定律,4.6,由费马原理推导几何光学三定律,1.5,光度学基本概念,1,）光度学和辐射度学,光度学：研究光的强弱的学科,辐射度学：研究各种电磁辐射强弱的学科,2,）辐射能通量（辐射功率）和辐射,能通量的谱密度,单位时间内光源发出或通过一定接收截面的辐射能,单位：瓦,辐射能通量的谱密度：,辐射能通量 的定义：,3),视见函数,定义：,V=1,实验表明：,要引起与,1mw,的,5550A,的绿光相同亮暗感觉的,4000A,紫光需要,2.5w.,时，,，,在,4000A,7600A,范围以外，,V,实际上已趋于,0,4),适光性和适暗性视见函数,由于眼睛里的圆锥和圆柱视神经细胞,在分别起作用，形成了,适光性,和,适暗性,视见函数。,在昏暗的环境中，视见函数的极大值朝短波方向移动。,所以在月光朦胧的夜晚，总感到周围的一切笼罩了一层蓝绿的色彩。,5),光通量,定义：,光源发出的辐射能通量通过视见函,数的权重因子折合成对人眼起作用,的有效视觉强度称为光通量。,单位：,流明，,记作：,有：,或者：,最大光功当量，,6),发光强度和辐射强度,（,1,）点光源和面光源：,（,2,）发光强度,I,：单位立体角内发出的光通量,，,单位：坎德拉，,其中,，,点光源,r,（,3,）注意：,（,a,）,发光强度的符号与光强的符号虽然相同，,但与光强不是一个概念。,（,b,）,发光强度与方向有关，方向不同,发光强度不同。,（,4,）辐射强度：单位立体角内发出的辐射通量,，,其中,，,单位：,，,7,） 光亮度和辐射亮度,（,1,）光亮度：面元,ds,沿,r,方向的光度学亮度,B,定义为在此方向上单位投影面积的发光强度,单位：,或,扩展光源,法线,n,r,（,2,）辐射亮度：,单位：,，,（,3,）注意：,人眼睛感知的是光源的亮度大小，,不是发光强度的强弱。,8,）余弦辐射体和朗伯定律,（,1,）余弦（朗伯）发射体,朗伯定律：,余弦发射体没有立体感，感到各处一样亮，比如,太阳,定义：如果一扩展光源的发光强度,从而其亮度,B,与方向无关，这类发射体,称为余弦发射体。,证明：,太阳中心处：,太阳边缘部分的同样方向：,因为：,（,2,）余弦反射体：,如积雪、十分粗造的白纸等物体，,也遵循朗伯定律。,（,3,）定向发射体：,比如：激光器。,激光器发出的光束通常是截面,S,很小而高度平行，,从而用不大的辐射功率就可获得极大的辐射亮度。,9,）光照度和辐射照度,（,1,）光照度定义：照射在单位面积上的光通量,，,单位：,lx,或,ph,（,2,）辐射照度定义：,照射在单位面积上的辐射通量,单位：,W/cm,2,或,W/m,2,，,，,，,（,3,）点光源的照度,，,点光源,法线,n,r,（,4,）面光源的照度,(5),注意：,（,a,）,光强的概念与这里的辐射照度,的概念一致。,（,b,）,照度是接收的概念，发光强度,和亮度是发射的概念。,（,6,）例题：,计算如图所示的均匀余弦发射圆盘在轴上,一点产生的垂直照度，设盘的半径为,R,，,亮度为,B,。,解：,，,，,由：,讨论：,当,时，,圆盘变成点电光源,此时，,照度遵从平方反比律,
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