光学_01光和光的传播

1、第一章 光和光的传播 学好光学课的重要意义学好光学课的重要意义n当今科研前沿的热门学科当今科研前沿的热门学科n光学课程是众多光学方面课程的基础启蒙课程光学课程是众多光学方面课程的基础启蒙课程 如：激光原理与技术，量子光学，信息学光纤如：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，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晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等 人类感官接收到外部世界的总信息量中至人类感官接收到外部世界的总信息量中至少有少有9090以

2、上通过眼睛。以上通过眼睛。 光学是一门古老的学科，又是一门新兴的光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年青学科。年青学科。 激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科。为科研前沿极为活跃的学科。1.1光的本性光的本性光学发展的简史（五光学发展的简史（五 个个 时时 期）期）一、萌芽时期一、萌芽时期 公元前公元前500500年年- -公元公元15001500年：经历大约年：经历大约20002000年年 面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现二、几何光学时期二、几何光学时期 1500-18001500-1800，

3、大约，大约300300年年1 1、建立了光的反射定律和折射定律，、建立了光的反射定律和折射定律， 奠定了几何光学的基础奠定了几何光学的基础2 2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器3 3、牛顿为代表的牛顿为代表的微粒说微粒说占据了统治地位占据了统治地位4 4、对折射定律的解释是、对折射定律的解释是错误错误的的 亦即：光在光密媒质中的速度较大亦即：光在光密媒质中的速度较大21vvnn111222vv sinvv sinttii1221sin/sinv /vii 1221/sin/sinnnii2121v /v/nn1vt1vn1v1i2i2v2vn2vt21nn折

4、射定律：折射定律：三、波动光学时期三、波动光学时期 1800-19001800-1900，近，近100100年年1 1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉现、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉现象象2 2、惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的、惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象衍射现象3 3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象4 4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波5 5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小、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于在空气中的传播速度6 6、波动光学的理论体系已经形成，光的波、波

5、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动说战胜了光的微粒说四、量子光学时期四、量子光学时期 1900-19501900-1950，近，近5050年年1 1、19001900年普朗克提出了量子假说，成功地解释了年普朗克提出了量子假说，成功地解释了 黑体辐射问题黑体辐射问题2 2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了 光电效应问题光电效应问题3 3、光的某些行为象经典的、光的某些行为象经典的“波动波动”4 4、另一些行为却象经典的、另一些行为却象经典的“粒子粒子”光的两种互补性质：光的两种互补性质：传播过程中显示波动性传播过程中显示波动性与其他物

6、质相互作用时显示粒子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具有波粒二象性光的本性光的本性五、现代光学时期五、现代光学时期 从从19501950年至今年至今 1 1、全息术、光学传递函数和激光的问世、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是经典光学向现代光学过渡的标志2 2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度、光学焕发了青春，以空前的规模和速度 飞速发展飞速发展 1 1）智能光学仪器）智能光学仪器 2 2）全息术）全息术 3 3）光纤通信）光纤通信 4 4）光计算机）光计算机 5 5）激光光谱学的实验方法）激光光谱学的实验方法 1.21.2、 光源与光谱光源

7、与光谱 760040001 1）可见光的波长范围：可见光的波长范围： 其中：其中： 频率：频率： 真空中的光速：真空中的光速： 对应的频率范围：对应的频率范围： cm8101/csmc/1038Hz14109 . 35 . 7光源光源2 2）光强：）光强：通过单位面积的平均光功率，通过单位面积的平均光功率， 或者说，光的平均能流密度。或者说，光的平均能流密度。3 3）光强表达式：光强表达式： ， 分别是相对介电常数和相对磁率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分别是真空介电常数和真空磁率 HESHEHE00200EHES,00在光频波段在光频波段 故故1001/ 00/1

8、c/nc20200EcnnES 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： 0cos()EEt2222001cos ()(1cos(2()2EEtEt2220000011cos ()TTnnISE dtEt dtTcTc2200000(1 cos(2()22TnnIEtdtEcTc2022201121EnEnII20nEI 4 4）相对光强：）相对光强： 注意：注意： 光强是一个平均值光强是一个平均值20EI 2002nISEc5 5）光强定义为一个平均值的原因）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响应时间：能够被感知或被记录所需的最短时间

9、人眼的响应时间：人眼的响应时间： 最好的仪器的响应时间大约：最好的仪器的响应时间大约： 光波的振动周期：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有实际意义的是光波的平均能流 st1 . 0s910sT1510Tt光光 谱谱1 1）单色光：）单色光：仅有单一波长的光叫单色光，否则仅有单一波长的光叫单色光，否则是非单色光。是非单色光。2 2）谱密度：）谱密度： 3 3）光谱：）光谱：谱密度随波长变化的分布曲线谱密度随波长变化的分布曲线 4 4）连续光谱：）连续光谱：光谱随波长的变化分布连续叫做光谱随波长的变化分布连续

10、叫做 连续光谱连续光谱 ddIddIi)(00)(didII5 5）线光谱：）线光谱：光谱集中在一些分立的波长区光谱集中在一些分立的波长区间的间的 线状谱线，就叫线光谱。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称为谱线宽度。越小表示光波的单色性越好 连续光谱连续光谱 线光谱线光谱 ddIddI1231.31.3光学的研究对象光学的研究对象、分支与应用分支与应用 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：几何光学： （尺度

11、相对光的波长大得多，从而其波动效应不明显）（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：波动光学： 研究光的波动性的学科（干涉、衍射、偏振）研究光的波动性的学科（干涉、衍射、偏振） 量子光学：量子光学： 研究光和物质相互作用的问题（分子、原子尺度）研究光和物质相互作用的问题（分子、原子尺度） 近代光学近代光学: 激光、全息、傅利叶和非线性光学激光、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2 2光的几何光学传播规律光的几何光学传播规律几何光学基本定律几何光学基本定律1.

12、1 1.1 几何光学三定律几何光学三定律1.2 1.2 全反射定律全反射定律 1.3 1.3 棱镜与色散棱镜与色散1.4 1.4 光的可逆性原理光的可逆性原理光在均匀媒质里沿直线传播。光在均匀媒质里沿直线传播。2.1 几何光学三定律几何光学三定律（1）光的直线传播定律：）光的直线传播定律：例：物体的影子例：物体的影子, , 针孔成像针孔成像例：海市蜃楼例：海市蜃楼(mirage)(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

13、量密切相关。 11p(pressure) ()T (temperature) vap (water vapour content)air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）光的反射和折射定律反射线与折射线都在入射面内反射线与折射线都在入射面内11ii 注注意意：1） 称称为为媒媒质质的的绝绝对对折折射射率率 2）折折射射率率较较大大的的媒媒质质称称为为光光密密媒媒质，质， 折折射射率率较较小小的的媒媒质质称称为为光光疏疏媒媒质质 3）适适用用条条件件：反反射射和和折折射射面

14、面积积远远大大 于于光光波波长长时时上上述述定定律律才才成成立立 2211sinsininin1122sinsinnini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。QQ1iMO2iyxy(4/3)n n112sinsinnii1tanxyi2tanxyi22111222111sintansin costansincoscosyniiiiyyyiiini1iyQ(0)i 2( )O i2sin0i cos1i yynyiQ13 4n 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,sinsi

15、nsinsinCHCMrii即sin sininn（2）三角形相似， HCM和MCHi n sinin sini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 全反射定律全反射定律全反射临界角：全反射临界角：)/(sin121nnic 的空气对于 的玻璃，临界角 21n 11.5n 42ci ACB45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。参见P15图1-7全反射的应用-光学纤维（1 1）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体称为棱镜称为棱镜（

16、2 2）三棱镜：截面呈三角形的棱镜叫）三棱镜：截面呈三角形的棱镜叫三棱镜三棱镜（3 3）主截面：与棱边垂直的平面叫做）主截面：与棱边垂直的平面叫做棱镜的主截面棱镜的主截面（4 4）偏向角）偏向角2.3 棱镜与色散棱镜与色散2i折射率折射率 )()()()(22112121iiiiiiii22ii 求其最小值：求其最小值： 01did0212did令令 ，且有，且有 BC G2i1i1inD EFA m最小偏向角最小偏向角 的推导的推导11ii,11ii 22ii 可以得到：当可以得到：当 时时m此时有：此时有： 21mi2/2i带入折射定律：带入折射定律： 1221/sin/sinnnii2s

17、in2sin12mnn有：有： 时，时， nnn211，2sin2sinmn色散色散光的可逆性原理光的可逆性原理: :当光线的方向反转时，它将逆着同一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。路径传播，称为光的可逆性原理。思考题思考题习题：习题：1-41-4， 1-51-5， 1-101-10，1-111-11，1-141-14波面波面 波线波线 3.1 3.1 波的几何描述波的几何描述波动：波动：扰动在空间的传播扰动在空间的传播波面：波面： （1 1）在同一振源的波场中）在同一振源的波场中 （2 2）扰动同时到达的各点具有相同的位相）扰动同时到达的各点具有相同的位相 满足

18、上述条件的振动轨迹称为波面或波振面。满足上述条件的振动轨迹称为波面或波振面。 球面波：球面波： 平面波：平面波： 波线：波线： 波面与波线波面与波线 球面波球面波 平面波平面波 惠更斯原理惠更斯原理波源波源.t t 波面波面u t3.2 3.2 惠更斯原理的表述惠更斯原理的表述S S上的每一面元可以认上的每一面元可以认为是次波的波源，为是次波的波源，原理的优点：原理的优点： 提出了次波概念提出了次波概念原理的不足：原理的不足： 给不出新波面的强度分布给不出新波面的强度分布 没有说明子波不向后传播的问题没有说明子波不向后传播的问题惠更斯原理惠更斯原理3.3 3.3 惠更斯原理对反射、惠更斯原理对反射、 折射定律的解释折射定律的解释 1vnnA Bt 11212112sinvsinvnnA BiniAD1vc2vvvcn 11221221sinvsinvinnin2211sinsininin如图所示如图所示 有：有： 设设 ，则有：则有： 即：即： 用惠更斯原理解释用惠更斯原理解释反射定律和折射定律反射定律和折射定律3.33.3惠更斯原理对直线传播问惠更斯原理对直线传播问题的解释题的解释 几何光学的适用范围：几何光学的适用范围：波长波长远小于空隙线度远小于空隙线度a4.1