光学(绪论)+几何光学1.ppt

光学 参考书1 光学郭永康高等教育出版社2 光学蔡履中科学出版社3 现代光学基础钟锡华北京大学出版社 期末总成绩构成平时作业 20分平时成绩 10分期中考试 20分期末考试 50分 教材光学赵凯华高等教育出版社 4 光学原理玻恩电子工业出板社 光学绪论 一 光学研究内容二 光学发展历史三 为什么学习光学 一 光学研究内容光学研究光的本性 光的发射 传播 接收和光与物质的相互作用等方面的规律 光学研究是广义的 是研究从微波 红外线 可见光 紫外线直到X射线的宽广波段范围 关于电磁辐射的发生 传播 接收和显示 以及跟物质相互作用的科学 光学是物理学的一个重要组成部分 也是与其他应用技术紧密相关的学科 光学分成几何光学 物理光学和量子光学几何光学是从光线的概念出发 研究光在各种媒质中传播的特点和成像规律 物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科 通常也称为波动光学 波动光学研究光的干涉 光的衍射 光的偏振 以及光在各向异性的媒质中传播的现象和规律 量子光学是从光子的性质出发 研究光与物质相互作用的学科 它的基础主要是量子力学和量子电动力学 墨子 前468年 前376年 对光学很有研究 研究光的直线传播 光的反射和若干物影成像规律 二 光学发展历史 中国的 墨经 中记录了世界上最早的光学知识 它有八条关于光学的记载 影的定义和生成 光的直线传播性和针孔成像 在平面镜 凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系 自 墨经 开始 公元11世纪阿拉伯人伊本 海赛木发明透镜 公元1590年到17世纪初 詹森和李普希同时独立地发明显微镜 17世纪上半叶 斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果 归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律 光的机械论认识 粒子 波动之争 斯涅耳 笛卡儿 费马 胡克 牛顿 惠更斯 杨氏 T Young1773 1829 杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的工作 用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色 但是由于杨氏的见解大部分是定性的表达 所以没有赢得普遍认可 波动理论的复兴 1818年巴黎科学院有奖征文活动 支持光的粒子说观点 但是他们的希望落空了 因为 尽管有强烈的反对 奖金还是授给了以波动理论为其论述基础的菲涅耳 A J Fresnel 1788 1827 而且这只不过是接连这样一系列研究的第一篇 这些研究在几年之内就使微粒理论的声誉丧失尽净 傅科与斐索和布雷格特在1850年所进行的一项由阿拉果首先建议的实验 确认光速在空气中和水中哪个更快 傅科 斐索 布雷格特 麦克斯韦推测光波是电磁波 光波电磁理论的建立 法拉第 M Famday 1791 1867 麦克斯韦 J C Maxwe 1831 1879 1888年赫兹的直接实验所证实光就是电磁波 电磁波谱 经典物理的大厦的建成 经典光学不能说明光的发射过程和吸收过程 在这些过程中 物质和光波场相互作用的精细面貌被显现出来 支配这些过程的规律 是近代光学 基尔霍夫 G R Kirchhoff 1824 1887 夫琅禾费 J Fmunhofer 1787 1826 近代物理的开启 光谱 近代物理的开启 紫外灾难 瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论 导出黑体辐射公式 该公式要求辐射能量随频率的增长而趋于无穷大 瑞利 J W S Rayleigh1842一1919 金斯 J H Jeans1877 1946 量子力学的诞生 为了解决黑体辐射理论中的矛盾 1900年普朗克提出了量子假说 认为各种频率的电磁波 包括光 只能像微粒似地以一定最小份额的能量程 h 称为能量子 发生 其中h 6 55 l0 27尔格 秒 是普朗克常数 我们可以说 常数h的出现是近代物理学区别于旧物理学的标志 普朗克MaPlanck 1858 1947 光本质的再认识 爱因斯坦根据普朗克理论 于1905年使光的微粒理论在一种新形式下复活起来 他假设 普朗克的能量量子作为实在的光粒子而存在 这种光粒子叫做 光量子 或 光子 由此他成功地解释了当时在光 粒子能量转换方面新发现不久的一些现象 它们用波动理论不能够说明 其中主要是所谓光电效应和光化学基本规律 爱因斯坦 1879 1955 量子力学的诞生 玻尔 N Bohr 1885 1962 把量子理论应用到原子结构 于1913年成功地解释了气体线光谱的简单规律 从这些开端和越来越多的实验材料 发展出了现代量子力学 海森伯 W H iseb垮 玻恩 M Bom 约旦 P Jordan 德布罗意 L deBroglie 薛定谔 E Schr dinger 狄拉克 P A M Dimc 玻尔 海森伯 薛定谔 狄拉克 玻恩 德布罗意 场和物质相互作用的详细理论 需要把量子力学方法的领域加以扩大 场量子化 对于电磁辐射场 这项工作是首先由狄拉克做出的 这些研究形成量子光学的基础 量子光学的诞生 现代光学和应用 激光的诞生 1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念 LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation LASER 1960年 休斯顿航空公司的TheodoreMalman用人造红宝石制造了一个激光器 694nm 1960年AliJavan成功制备第一台连续激光器 即He Ne激光 6328nm 各种工作介质 各种泵浦方式 各种波段的激光先后出现 Ns ps fs as激光 非线性光学 现代光谱学 早在1966年 高锟就取得了光纤物理学上的突破性成果 他计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输 这项成果最终促使光纤通信系统问世 而正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路 信息光学 后续课程1 光波导理论2 光纤通信基础3 激光原理4 非线性光学导论5 光电子学 其它课程1 偏振光学5 超快光学2 统计光学6 傅里叶光学3 光子晶体7 量子光学4 薄膜光学8 非线性光纤光学 三 为什么学习光学 信息载体 电子 electron 光子 photon 电子学 光子学 光子学与电子学一起扮演着信息化社会两大关键支柱的重要角色 28 光子较电子优势 1 光子频率高 具有较高信息容量2 光子传递速度快 比电子快几个数量级 3 光子具有极强的互联能力和并行信息处理能力 4 光子波长短 具有较高的信息处理能力 光子能够同时进行一维 二维和三维存储能力 存储能力比电子高106到095 激光技术产生的超短光脉冲比电脉冲要短103 可以用于诊断超快物理和化学过程 6 光子能为人们的眼睛所接受 具有直接显示色彩的功能 7 光子能量与绝缘体和半导体中的电子 声子产生共振相互作用 利用这种相互作用易于解决信息产生和接受等问题 30 光子产业的内容和分类 科研 军事 能源 交通 工业 农业 医疗 环保 文娱 光子产业 光通信产业 光信息产业 激光产业 光学产业 教学内容1 绪论2 几何光学3 光波干涉和相干性4 衍射光学5 信息光学引论6 光在晶体中的传播7 吸收 色散和散射 第一章几何光学的基本原理 GeometricalOptics 照相机 投影仪 常见光电仪器 显微镜 望远镜 大型天文望远镜 光电仪器三大部分 机械部分 仪器的传动机构 联接机构 调整机构 壳体等 电器部分 各种电子线路 照明 显示 计算机控制等 光学部分 由各类透镜 棱镜 平面镜 光栅等光学元件组合而成 几何光学是光学中发展最早的一部分 它所研究的中心问题是物体经光学系统成像的问题 它是以光线概念为基础 研究光的传播规律和成像规律 适用条件 传播时遇到障碍物的尺寸远大于波长 几何光学的基本原理 2 反射定律 从三定律出发 研究光线经不同界面的传播方向 研究光线的传播和成像问题 一 几何光学的基本实验定律 1 直线传播定律 光在均匀介质中沿直线传播 平面镜成像规律 日全食 2 光的反射定律 3 光的折射定律 二 三定律 内容 介质2 介质1 分界面 物 像 棱镜 Prisms 棱镜由抛光平面包围着的透明介质组成 可以改变光线传播方向 三 全反射 光密介质 n1 到 光疏介质 n2 入射角大于临界角 全反射图片 按照波动理论 产生全反射时除反射波外 在光疏介质中并非完全不存在透射波 只不过它沿界面方向传播 且其振幅在垂直界面方向按指数衰减 透入深度只有波长量级 称为倏逝波 或隐失波 但平均来说 光波的能量全部返回光密介质 在光疏介质中并不形成透射光 光导纤维 Lightcantravelwithlittlelossinacurvedopticalfiber becausethelightistotallyreflectedwheneveritstrikesthecore claddinginterfaceandbecausetheabsorptionoflightbythecoreitselfissmall 全反射棱镜 倒转棱镜 屋脊形五棱镜 主要用于改变光传播方向并使像上下左右转变 2费马原理 Fermat sPrinciple Fermat于1679年提出的 它是从光程的观点描述光传播的规律 光程的概念对几何光学的重要意义体现在费马原理中 几何光学的基础是前面所提到三个实验定律 费马却用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的原理 一 光程 分段均匀 QP 光程定义 光线路径的几何长度与所经过的介质折射率的乘积 均匀介质 n1 l1 n2 l2 n3 l3 对于非均匀介质 光程与相位差 即 光程与时差 Q P的传播时间 介质中光速用真空光速和折射率代替 光程的另一角度认识光经历Q和P两点的光程等于传播时间乘以真空光速 二 费马原理的表述 从一点到另一点的一条实际光线取这样的路径 其光程与邻近路径光程相比是极大值 极小值或稳定值 或光程沿平稳值路径传播 平稳值的三种基本的含义 极小值 常见情况 常数 成像系统的物像关系极大值 个别现象 费马原理的数学表达式 路径积分 是路径 l 的泛函 俗称函数的函数 平稳值要求变分为零 为变分符号 光程为平稳值的典型情况 费马原理应用例题 双曲透镜聚焦平行光一宽平行光入射于一透镜 要求其透射光线严格聚焦于F点 试问 应该是何形状 严格成像 严格等光程 解出 是一条二次曲线 曲面是旋转双曲面 反射等光程面 旋转椭球面 旋转抛物面 三 费马原理与三个实验定律 1 光在均匀介质中直线传播 2 反射定律 要点 反射光线在入射面 反射角等于入射角 光程最短 M 3 折射定律 1 折射光线在入射面内 方法和反射定律推导一样 2 入射角和折射角的关系 Q M P的光程 根据费马原理 L对x的一阶导数为零 四 费马原理与成像 其中 等光程与成像 严格等光程 严格成像