光学知识简述课件

光学知识简述课件光学知识简述（一）光学知识简述（一）光学知识简述课件 前前 言言 光的本质光的本质 第一章第一章 几何光学几何光学 第二章第二章 物理光学物理光学 第三章第三章 光电效应光电效应 第四章第四章 激光激光目录3v 前言前言 光的本质光的本质-光学历史光学历史墨经墨经，成书于公元前，成书于公元前43世纪，其中已有对于小孔世纪，其中已有对于小孔成象、镜面反射的描述，其中已包含了成象、镜面反射的描述，其中已包含了 光线及其沿直线传光线及其沿直线传播思想，但没有对光的本质进行深入的思考。播思想，但没有对光的本质进行深入的思考。光学光学，前，前32世纪，欧几里得著，已指出光在平面世纪，欧几里得著，已指出光在平面上反射时，入射角等于反射角。其后研究了光的折射等成上反射时，入射角等于反射角。其后研究了光的折射等成像规律，并制成各种光学元件。像规律，并制成各种光学元件。1672年，牛顿分光实验，白光中包含不同颜色的光。年，牛顿分光实验，白光中包含不同颜色的光。1678年，惠更斯提出波动说。年，惠更斯提出波动说。1704年，牛顿提出微粒说。年，牛顿提出微粒说。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。4概念概念：振动在空间的传播形成振动在空间的传播形成了波。在水面波中，发生了波。在水面波中，发生振动着的是水分子的位移振动着的是水分子的位移矢量。矢量。波动（波动（wavewave）是一种传）是一种传递振动、传递能量但不传递振动、传递能量但不传送质量的运动形式。送质量的运动形式。v 前言前言 光的本质光的本质-电磁波电磁波10.1 电磁波电磁波5波的分类波的分类根据传递方式分为：根据传递方式分为： 机械波机械波 (也称力学波 ，mechanical wave ) 电磁波电磁波 ( electromagnetic, EM, wave )根据波动的特性分为：根据波动的特性分为： 横波横波 ( Transverse Wave ) 纵波纵波( Longitudinal Wave )v 前言前言 光的本质光的本质-电磁波电磁波26 横波横波 ( Transverse Wave ) 纵波纵波( Longitudinal Wave )v 前言前言 光的本质光的本质-电磁波电磁波37定义定义：长期以来的科学理论和实验证实，光是一种频：长期以来的科学理论和实验证实，光是一种频率极高的电磁波。以可见光为例，其频率在率极高的电磁波。以可见光为例，其频率在 赫兹（赫兹（Hz）。）。v 前言前言 光的本质光的本质-光波光波10.2 光波光波8 光波的数学表示光波的数学表示v 前言前言 光的本质光的本质-光波光波2右手定则右手定则9 波段波段 可见光的组成可见光的组成v 前言前言 光的本质光的本质-光波光波310v前言前言 光的本质光的本质-光学的分类光学的分类1、几何光学、几何光学2、波动光学、波动光学3、量子光学、量子光学4、现代光学、现代光学11v 第一章第一章 几何光学几何光学-成立条件成立条件11.1 成立条件成立条件1. 1. 被研究对象被研究对象( (如狭缝如狭缝, ,小孔小孔, ,透镜口径透镜口径, ,挡光屏等挡光屏等) )的几何尺寸的几何尺寸D D远大于入射光波波长远大于入射光波波长D/D/ 1 衍射现象不明显，定律适用。衍射现象不明显，定律适用。D/D/ 1 衍射现象明显，定律不适用。衍射现象明显，定律不适用。12v 第一章第一章 几何光学几何光学-成立条件成立条件21.1 成立条件成立条件2. 2. 入射光强不太强入射光强不太强在强光作用下可能会出现新的光学现象。在强光作用下可能会出现新的光学现象。注意：几何光学的基本实验定律有一定的近似性、注意：几何光学的基本实验定律有一定的近似性、局限性。局限性。强光折射引起自聚焦13v 第一章第一章 几何光学几何光学-光线的表示光线的表示11.2 光线的表示光线的表示13光线光线 ：光能量的传播方向的几何线。光能量的传播方向的几何线。 S理想模型理想模型：不是细光束不是细光束均匀各向同性介质均匀各向同性介质：直线直线非均匀介质非均匀介质：曲线曲线这一章是研究光在均匀介质中的传播和成像问题。这一章是研究光在均匀介质中的传播和成像问题。14v 第一章第一章 几何光学几何光学-光线的表示光线的表示2光束与波面光束与波面典型有：平行光束、同心光束（会聚或发散）和象散典型有：平行光束、同心光束（会聚或发散）和象散光束。光束。子午子午焦线焦线弧矢弧矢焦线焦线15v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理1直线传播定理：光在均匀介质中沿直线路直线传播定理：光在均匀介质中沿直线路经行进。经行进。( 忽略衍射现象忽略衍射现象 )1.3 基本定理基本定理16v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理2光在非均匀介质中的传播光在非均匀介质中的传播17v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理3光的独立传播定律：光的独立传播定律：以不同的途径传播的光同时在空间某点通过时，彼此互不影响，各路光好像其他光线不存在似地独立传播。而在各路光相遇处，其光强度是简单地相加，总是增强的。( 忽略干涉现象 )注意：光不能太强18v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理4反射与折射定律反射与折射定律反射定理：反射定理：光线在两种介质的分界面上发生反射，反射光线在两种介质的分界面上发生反射，反射角等于入射角。角等于入射角。1122sinsininin 斯涅耳公式斯涅耳公式折射定理：折射定理：光线在两种介质的光线在两种介质的分界面上发生折射，折射角与入分界面上发生折射，折射角与入射角满足关系射角满足关系II 19v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理5光的反射与折射光的反射与折射20v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理6绝对折射率vcrinsinsin一种介质相对于真空的折射率一种介质相对于真空的折射率vcn/其中其中 ，折射率不仅与介质有，折射率不仅与介质有关，还与光的频率有关。关，还与光的频率有关。称为称为绝对折射率，简称折射率。绝对折射率，简称折射率。根据折射率大小，介质可分为光密介质和光疏介质。根据折射率大小，介质可分为光密介质和光疏介质。2021v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理7介 质折 射 率介 质折 射 率金刚石2.42水1.33玻 璃1.50 1.75酒 精1.36水 晶1.54 1.56乙 醚1.35岩 盐1.54水蒸气1.026冰1.31空 气1.0003几种介质的折射率几种介质的折射率 22v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理8全反射定理：当光线从光密介质入射到光疏介质全反射定理：当光线从光密介质入射到光疏介质中，当入射角大于一定值，光线全部返回光密介中，当入射角大于一定值，光线全部返回光密介质中，返回光线遵循反射定理。质中，返回光线遵循反射定理。入射角称临界角： nC190sinsin 23v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理9全反射的应用全反射的应用 全反射棱镜 光学纤维24v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理10光路可逆定理光路可逆定理光线传播的可逆性光线传播的可逆性 令 CO 为入射光线，则 OA 为反射光线（反射定律） 令 BO 为入射光线，则 OA 为折射光线（折射定律）由此说明光的传播是可逆的，即光路的可逆性。（3）25v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理11费马定理费马定理光程：介质折射率光程：介质折射率n和光线在介质内传播的距和光线在介质内传播的距离离l的乘积。的乘积。 l = n l光程的概念可理解为：光在介质中通过真实路程所需时间内，在真空中所能传播的距离。光在不同的介质中，相同的时间内传播的几何路程不同，但光程相同。26v 第一章第一章 几何光学几何光学-基本定理基本定理12费马定理：光从空间的一点到另一点，是延光程极费马定理：光从空间的一点到另一点，是延光程极值的路径传播的；或者说，光线延光程的极大、极值的路径传播的；或者说，光线延光程的极大、极小或常量路径传播。小或常量路径传播。费马原理的表述费马用光程的概念把几何光学的基本定律归结为一个统一的基本原理，是基本定律的普遍表述。它可以从总体上确定不考虑衍射时，光线行进的路径。它是几何光学的最基本的定律，上述的几个定律皆由此导出。27谢谢 谢谢 ！