第一章光和光的传播.ppt

《第一章光和光的传播.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章光和光的传播.ppt（83页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、光 学,主讲：陈兵兵,学好光学课的重要意义,当今科研前沿的热门学科 光学课程是众多光学相关交叉课程的基础启蒙课程 ： 如：光电子技术，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,课前预习 按时听课 及时复习 独立完成作业 要主动答疑,参考书,a. 新概念物理教

2、程光学赵凯华,b. 光学教程 姚启钧,c. 光学 赵凯华、钟锡华,d. 光学 母国光,e. 光学原理 玻恩（誉为光学圣经）,第一章 光和光的传播,1.1 光学发展及光的本性,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年面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现 （1） “阳燧”取火，金属凹面镜； （2）公元前4世纪， 墨经墨家就做过针孔成像和面镜成像的实验，并给予分析和解释。 （3）克莱门德（Clemomedes）和

3、托勒密（C.Ptolemy,90-168）研究了光的折射现象； （4）培根（R.Bacon,1214-1294）提出透镜校正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性 ，阿玛蒂（Armati）发明了眼镜。,中国古代铜镜,二、几何光学时期 15001800，大约300年,1、斯涅耳和笛卡儿等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、牛顿，伽利略等人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。,牛顿制作的反射望远镜,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 18001900，近100年 1、托马

4、斯-杨利用实验成功地解释光的干涉现象； 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； 1888年，赫兹实验发现电磁波与光波类似性质。 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,惠更斯-菲涅尔的波动理论带有机械论色彩，认为光是在弹性介质中传播的弹性波。 光的电磁理论主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象，例如，炽热黑体辐射中能量按波长分布的问题 ； 3. 1900年普朗克提出了能量量子

5、理论，成功解释黑体辐射问题； 4、爱因斯坦提出了光量子理论，成功地解释光电效应问题。,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 6）微纳光学（亚波长光学）,l/ 8 l / 14 imaging resolution,Wang, et.al.,nature. 2,218 (2011),1）任何发光物体都

6、叫光源。光的发射包括热辐射和非热辐射。 2）可见光的波长范围： 频率： 真空中的光速： 对应的频率范围：,1.2 光源与光谱,3）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 4）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：,5）相对光强： 注意： 光强是一个平均值,6）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

7、的平均能流,7）、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,若干元素普通光源的典型谱线,1.3 光学的研究对象、分支与应用,光学是研究光的本性、光的产生和传播、光与物质的相互作用，以及光在科学研究和技术中的应用的科学。,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：,

8、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,物 理 光 学,物理学家谈光学,光学现象背后的物理原理，就我们这本书中所涉及的那些来说，在1900年前已经大体上系统形成了。从那年以后，光学同物理学的其他部门一样，由于能量量子的发现而经历了一场彻底的革命。虽然这个发现曾深深地影响了我们关于光的本性的见解，但是它并没有使早先的理论和技术失去作用；只不过是揭示了它们的能力限度，并确定了它们的有效范围。旧的原理和方法以及它们对许许多多不同情况的应

9、用，一直不断扩大，而且现在还在继续扩大着，势头不减。 M 玻恩、E 沃耳夫，光学原理,物质世界是有层次的，反映物质世界的物理学规律也是有层次的。每一层次的物理学都植根于更深层次的物理学。但是，每个层次的物理都是在真实的意义上不可穷尽的。在大自然千姿百态的丰富性面前，那些断言某某学科将不会有什么发展的说法总是被事实所粉碎的。经典力学、经典电动力学并不因为量子力学、量子电动力学的发展而被排斥出物理学，近年来我们还不停地学习它们新的、有深刻意义的进展。光学和凝聚态物理学半个世纪来的巨大的、令人应接不暇的发展提供了最能说服人的例子。 甘子钊，世纪之交的物理学,物理学家谈光学,2. 光的几何光学传播规律

10、,2.1 几何光学三定律 2.2 全反射定律 2.3 棱镜与色散 2.4 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

11、律,反射线与折射线都在入射面内,注意： 1）任何截至相对与真空的折射率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。,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

12、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,全反射的应用1-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P10图1-9,全反射的应用2 -光学纤维,（1）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体称为

13、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。,2.4 光路的可逆性原理: 当光线的方向反转时，它将逆着同一

14、路径传播，称为光路的可逆性原理。,3. 惠更斯原理,3.1 波的几何描述 3.2 惠更斯原理的表述 3.3 对反射定律和折射定律的解释 3.4 光的直线传播问题,3 惠更斯原理,3.1 波的几何描述 （1）波动：扰动在空间的传播 （2）波面：在同一振源的波场中振动同时到达的 各点具有相同的位相，满足上述条件的振动轨迹 的曲面称为波面或波振面。 （3）波线：波场中绘出一线族，它们每点的切线 方向代表改点波扰动的传播方向。 （4） 球面波与平面波,波面,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，由面元发出

15、的次波继续传播，在某个t时刻其总扰动的包络面形成新的波面。,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,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,3.4 惠更斯原理对直线传播 问题的解释,见P18图1-20及 P19图1-21,几何光学原理的适用范围： 在波长与孔隙线度可比拟甚至大于的情况下， 将发生衍射。几何光学 波动光学。,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：,4.2 光在媒质中走过的光程等于 在真空中走

16、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：,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。,

17、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QMP的长度与QMP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,（2）折射定律,折射面,作,共面（ ）,考虑从A经折射面 上任一点 到B的光线,由 作 的垂线，垂足为,考虑由A出发经 折射到达B的光线,（I）,在 平面内，,令,则,故光程 总是大于光程 而非极小值。可见光程

18、最短的路径应在 平面内寻找，即折射光线在入射面内。,在均匀介质中的两点间（直线传播）、经平面反射的两点间，以及经平面折射的两点间的实际光路均是光程取极小值的情形。,成象系统的物点和像点之间为光程取稳定值的情形。,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，,

19、，,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，,（3）注意：,（a）发光强度的符号与

20、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,，,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,（2）辐射亮度：,（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：,（

21、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/cm2或W/m2,，,，,，,（3）点光源的照度,，,（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：,圆盘变成点电光源,此时，,照度遵从平方反比律,思考题 习题：5， 6， 16。,