《光學(xué)》課件：chapter1 幾何光學(xué)

1、第1章 幾何光學(xué)的基本定律課程信息課程信息課程性質(zhì)、考核方式、參考資料p 理科大類平臺(tái)課，1 學(xué)分0101課程性質(zhì)、考核方式p 總成績(jī)=平時(shí)30%+期末70%p 平時(shí)：作業(yè)、課堂表現(xiàn)、考勤等p 期末：閉卷考試（簡(jiǎn)答題+計(jì)算題），全校統(tǒng)考p 答疑地點(diǎn)：物理樓320室，時(shí)間稍后見(jiàn)校園網(wǎng)通知p 考試時(shí)間：初步預(yù)定在第十周周六（5月7日）0202教師信息李金環(huán)李金環(huán) 教授教授主要研究主要研究方向方向光學(xué)檢測(cè)及全固態(tài)激光器相關(guān)研究光學(xué)檢測(cè)及全固態(tài)激光器相關(guān)研究主要社會(huì)主要社會(huì)兼職兼職n美國(guó)SPIE會(huì)員 美國(guó)AAPT會(huì)員（物理教師協(xié)會(huì)）n日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)會(huì)員n2013-2017年教育部高等學(xué)校物理專業(yè)教學(xué)

2、指導(dǎo)委員會(huì)東北地區(qū)工作委員會(huì)委員 n吉林省物理學(xué)會(huì) 第八屆理事會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)n第六屆中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì) 光學(xué)測(cè)試專業(yè)委員會(huì)委員n中國(guó)高校實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)研究會(huì) 第四屆理事會(huì)常務(wù)理事 n全國(guó)近代物理研究會(huì) 第六屆理事會(huì)常務(wù)理事 n光學(xué)學(xué)報(bào)審稿人 日本新日本新潟潟大學(xué)大學(xué) 工學(xué)博士工學(xué)博士0303教材及參考資料0404網(wǎng)絡(luò)資源中國(guó)大學(xué)資源共享課：光學(xué)北京大學(xué)，鐘錫華教授主講http:/ 同濟(jì)大學(xué)/course/tongji-45007#/info光學(xué)導(dǎo)論光學(xué)導(dǎo)論光學(xué)的研究對(duì)象、發(fā)展史0101什么是光學(xué)光是一種重要的自然現(xiàn)象。光學(xué)是研究光的本性、光的產(chǎn)生與控制、光的

3、檢測(cè)、光與物質(zhì)的相互作用以及它的各種應(yīng)用科學(xué)。0202光學(xué)的研究對(duì)象p 光的傳播、反射、折射、成像等p 波動(dòng)光學(xué)：光的干涉、衍射、偏振等p 量子光學(xué)：光的吸收、散射、色散、光的本性等幾何光學(xué)物理光學(xué)0202光學(xué)的研究對(duì)象p 激光光學(xué)：激光物理、激光技術(shù)、激光應(yīng)用等。p 全息光學(xué)：光學(xué)全息與信息處理等。p 晶體光學(xué)：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應(yīng)等。p 集成光學(xué)：集成光路理論及制造等?，F(xiàn)代光學(xué)0202光學(xué)的研究對(duì)象p 傅立葉光學(xué)：光學(xué)傅立葉分析、傅立葉變換等。p 激光光譜學(xué)：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析等。p 非線性光學(xué)：光學(xué)介質(zhì)及強(qiáng)光的相互作用。瞬態(tài)光學(xué)、光纖通信、光信息存儲(chǔ)、受激拉曼

4、散射、受激布里淵散射、飛秒激光現(xiàn)代光學(xué)我國(guó)早在春秋時(shí)代墨經(jīng)中記載了許多光學(xué)現(xiàn)象，如：光的直線傳播，反射、折射等，中國(guó)古代在幾何光學(xué)方面長(zhǎng)期在世界居于領(lǐng)先地位。近代光學(xué)的發(fā)展一直伴隨對(duì)光的本質(zhì)的研究:古希臘（歐幾里德），把光看作觸須投射（錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)）十七世紀(jì)開(kāi)始，對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)，有兩種學(xué)說(shuō)并立以牛頓為代表的微粒說(shuō)，認(rèn)為光是按照慣性定律沿直線飛行的微粒，解釋光的直線傳播，反射、折射。無(wú)法解釋干涉、衍射、偏振0303光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史惠更斯提出光的波動(dòng)理論，認(rèn)為光是在一種特殊介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。解釋了光的反射、折射、衍射。托馬斯楊和菲涅爾（在十九世紀(jì)初）透過(guò)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步的理論工作，驗(yàn)證了光的波動(dòng)理論，成功

5、地解釋了光的干涉、衍射。波動(dòng)光學(xué)存在不足，把光看作是機(jī)械波，光在真空中傳播需要媒質(zhì)，于是臆想出“以太”，認(rèn)為真空中充滿了“以太”，但找不到。十九世紀(jì)六十年代，麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)理論，預(yù)言電磁波存在，1887年赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電磁波，電磁波的速度等于光速，認(rèn)為光是電磁波。0303光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史隨著技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)條件的完善，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，利用波動(dòng)光學(xué)無(wú)法解釋，1900年普朗克提出量子假說(shuō)，1905年愛(ài)因斯坦提出光子學(xué)說(shuō)。解釋了光電效應(yīng)。光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。0303光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史04042015國(guó)際光年CommunicationsCommunicationsHeal

6、thHealthEconomyEconomyEnvironment Environment SocialSocial光和光基技術(shù)國(guó)際年2015 celebrates major anniversaries1015 Ibn Al Haythem Book of Optics 光學(xué)的開(kāi)山之作1815 Fresnel and the wave nature of light 波動(dòng)光學(xué)理論1865 Maxwell and electromagnetic waves 光的電磁波理論1915 General relativity light in space and time 廣義相對(duì)論1965 Cosm

7、ic microwave background, Charles Kao and optical fibre technology 宇宙微波輻射背景、光導(dǎo)纖維通訊2015國(guó)際光年官方主頁(yè)04042015國(guó)際光年第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律幾何光學(xué)基本定律光的反射、折射及相關(guān)應(yīng)用1 1 幾何光學(xué)幾何光學(xué)的的基本定律基本定律反射、折射在均勻各向同性介質(zhì)中，光沿直線傳播。如：針孔成像就是光沿直線傳播的結(jié)果。日全食 0101直線傳播定律針孔成像光闌0202光的獨(dú)立傳播定律自不同方向的光線在介質(zhì)中相遇后，各保持原來(lái)的傳播方向繼續(xù)傳播。入射光線、反射面的法線和反射光線三者處在同一平面上，入射光線和反射光

8、線分居于入射點(diǎn)界面法線的兩側(cè)，入射角等于反射角。 ii en界面Sii R漫反射光路可逆性原理0303反射定律2211sinsinninn n21稱為介質(zhì)2相對(duì)于介質(zhì)1的相對(duì)折射率入射光線折射光線 i 入射角折射角 enn1n2分界面 入射光線、折射光線和分界面的法線三者同處在一個(gè)平面上，入射角和折射角 有下述關(guān)系0404折射定律212112nnnvv物質(zhì)相對(duì)于真空的折射率稱為絕對(duì)折射率（簡(jiǎn)稱折射率）vcn 光在真空中的傳播速度光在介質(zhì)中的傳播速度兩種介質(zhì)相比較，折射率大的介質(zhì)，光在其中的傳播速度小，稱為光密介質(zhì)；折射率小的介質(zhì)，光在其中的傳播速度大，稱為光疏介質(zhì)。12sinsinnin 折射

9、定律也可表示為：斯涅耳定律（Snells Law）0404折射定律12sinsinnin 當(dāng)21nn i 有臨界角 A：相應(yīng)于折射角為90的入射角。全反射：當(dāng)入射角 i 大于臨界角 A時(shí)，將不會(huì)出現(xiàn)折射光，入射光的能量全部反射回原來(lái)介質(zhì)的現(xiàn)象。21sinnAn（n1n2）i Ai1n2nen旋轉(zhuǎn)反射鏡0505全反射光導(dǎo)纖維的光路內(nèi)窺鏡0505全反射2 2 共軸共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的成像理想光學(xué)系統(tǒng)的成像共軸理想光學(xué)系統(tǒng)光在均勻介質(zhì)走過(guò)的幾何路程與介質(zhì)折射率之乘積光程的物理意義：表示光在介質(zhì)中通過(guò)真實(shí)路程所需時(shí)間內(nèi),在真空中所能傳播的路程。l = nrSsnLdSn0101光程光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)將

10、循著這樣一條路徑，光沿所需要時(shí)間為極值（可以是極大值、極小值，也可以是常量）的路徑傳播。即：光沿著光程為極值的路徑傳播。所用時(shí)間為：1dStn sc時(shí)間 t 有極值的條件是:1d 0Stn sc或d 0SLn s0202費(fèi)馬原理光在i介質(zhì)中的光程等于在相同時(shí)間t內(nèi)光線在真空中所走的路程。光線沿光程為平穩(wěn)值的路徑而傳播。平穩(wěn)值的三種基本含義：極小值直線傳播、反射、折射極大值凹球面反射鏡常數(shù)成像系統(tǒng)的物像關(guān)系費(fèi)馬原理推論：物象等光程，即由物點(diǎn)發(fā)出的所有光線通過(guò)光具組后均應(yīng)以相等的光程到達(dá)像點(diǎn) 。0202費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理的應(yīng)用(1)反射定律 aABiiPdxbnA與B時(shí)折射率為n的均勻介質(zhì)中的兩點(diǎn)，

11、有一光線APB，其光程為：2222()()L APBn axn bd x1122222211()(2 )() 2()( 1)022dLnaxxnbdxdxdx根據(jù)費(fèi)馬原理，這光程應(yīng)為極小，所以0202費(fèi)馬原理上式可以寫(xiě)成：2222()xdxaxbdxsinsin iiii1122222211()(2 )() 2()( 1)022dLnaxxnbdxdxdx由圖可知：即：這就是反射定律。BdAaiiPxbn0202費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理的應(yīng)用(2)折射定律 折射定律的證明（取極小值）y設(shè)A(0,yA)，O(x,0) ，B(xB，yB)2222AO+BO =itiAtBBnnnxyn (xx)y22222()d2=0d()BitABBxxxnnxxyxxy2222BitABBxxxnnxy(xx)y即：sinsinitnint0202費(fèi)馬原理ABCO反射面（甲）凹面鏡ABCO反射面（乙）凸面鏡球面鏡主光軸：球面上中心點(diǎn)O與球心(曲率中心)C所連直線。副光軸：通過(guò)曲率中心的任何直線。光軸：光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱軸光軸傍軸光線：與光軸夾