大学物理光学5

1、Harbin Engineering University光为什么重要？光为什么重要？ 圣经圣经创世纪创世纪 起初，上帝创造天地。起初，上帝创造天地。 上帝说：上帝说：“要有光要有光”，于是就有了光。，于是就有了光。 这是头一日。这是头一日。 人来到世间，睁开眼就看到了光人来到世间，睁开眼就看到了光，从此伴人一生，从此伴人一生。 人获取外界的信息，人获取外界的信息，90%以上靠光作媒质！以上靠光作媒质！ 光带动了现代科学的发展光带动了现代科学的发展 2011，2009，2006，2005，2002，2000 宇宙学和光学在引领物理学发展，进入宇宙学和光学在引领物理学发展，进入21世纪诺贝尔物理

2、学奖世纪诺贝尔物理学奖6次与光学及宇宙学（红字）相关，宇宙学也是需要依靠光学测量次与光学及宇宙学（红字）相关，宇宙学也是需要依靠光学测量结果进行分析的。结果进行分析的。 理学院的两位院士：陆埮（音：坛）院士和崔向群院士分别是宇理学院的两位院士：陆埮（音：坛）院士和崔向群院士分别是宇宙学和光学领域的专家。宙学和光学领域的专家。 光学（光学（Optics），目前更多地被光子学），目前更多地被光子学（Photonics）而取代，成为革命性发展的学科。）而取代，成为革命性发展的学科。 昨天的知识可能不再准确，今天的知识还在发展中，需要大家的昨天的知识可能不再准确，今天的知识还在发展中，需要大家的共同努

3、力共同努力.Harbin Engineering University光学发展给我们带来了什么？光学发展给我们带来了什么？Harbin Engineering University第第1章章 光是什么？光是什么？ “光是什么？光是什么？”不同的人将会有不同的答案。不同的人将会有不同的答案。 光是视觉，是眼睛所见。光是视觉，是眼睛所见。 光是光线。光是光线。 光是一种电磁波。光是一种电磁波。 光是能量子。光是能量子。 对于上述种种答案，既可以说是对的，又可以对于上述种种答案，既可以说是对的，又可以说不是完全对的。那么，光到底是什么呢？或说不是完全对的。那么，光到底是什么呢？或者我们站在物理学的角

4、度问，光的本质是什么？者我们站在物理学的角度问，光的本质是什么？ 要给出一个完全正确的答案，现在看来还为时要给出一个完全正确的答案，现在看来还为时过早。也许这个问题永远也没有一个终极正确过早。也许这个问题永远也没有一个终极正确的答案。的答案。Harbin Engineering University光学的发展历史光学的发展历史 墨子对光学很有研究，对于光的直线传播、光的反射和墨子对光学很有研究，对于光的直线传播、光的反射和若干物影成像，进行了精彩的描述。若干物影成像，进行了精彩的描述。 有一次，墨子进行光学实验，他在堂屋朝阳的地方，让有一次，墨子进行光学实验，他在堂屋朝阳的地方，让一个人对着小

5、孔站在屋外，在阳光的照射下，屋内相对一个人对着小孔站在屋外，在阳光的照射下，屋内相对的墙上出现倒立人像。墨子通过小孔成像的光学实验，的墙上出现倒立人像。墨子通过小孔成像的光学实验，阐述了光的直线传播原理，成为后代摄影技术的先声。阐述了光的直线传播原理，成为后代摄影技术的先声。 墨子及其弟子的著作，统称为墨子及其弟子的著作，统称为墨子墨子。其中。其中经上经上，经下经下、经说上经说上、经说下经说下及及大取大取、小小取取六篇，专说名辩和时间、空间、物质结构、力学、六篇，专说名辩和时间、空间、物质结构、力学、光学、声学、代数、几何等内容光学、声学、代数、几何等内容.Harbin Engineering

6、 University光学的发展历史光学的发展历史礼记礼记 “ “左佩金燧左佩金燧”、“右佩木燧右佩木燧”玉篇玉篇 “燧，以取火于日燧，以取火于日” Harbin Engineering UniversityHarbin Engineering University恩培多克勒（恩培多克勒（Empedocles 公元前公元前490-430）和欧几里得）和欧几里得（Euclid ,公元前公元前300）关于光学的系统著作。）关于光学的系统著作。Harbin Engineering University光的本性：微粒说光的本性：微粒说 笛卡儿笛卡儿 1638年，提出一种无所不在的年，提出一种无所不在的

7、“以太以太”假说，拒假说，拒绝接受超距作用的解释，坚持认为力只能通过物质粒子绝接受超距作用的解释，坚持认为力只能通过物质粒子和与之紧邻的粒子相接触来传播，把热和光看成是以太和与之紧邻的粒子相接触来传播，把热和光看成是以太中瞬时传播的压力。屈光学中提出光的粒子假说，中瞬时传播的压力。屈光学中提出光的粒子假说，并用以推出光的折射定律。并用以推出光的折射定律。 斯涅耳斯涅耳（W. Snell, 约约1580-1626） 费马费马（P.Fermat, 1601-1665） 牛顿牛顿 1704年，光学一书出版。随着天文学、力学年，光学一书出版。随着天文学、力学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学和

8、光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学。牛顿牛顿坚持坚持光的微粒说，他认为波动说的最大障碍是不能解释光的微粒说，他认为波动说的最大障碍是不能解释光的直线进行。他提出发光物体发射出以直线运动的微光的直线进行。他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射与反射，甚至经过修改也能解释的折射与反射，甚至经过修改也能解释F.M.格里马尔迪格里马尔迪发现的发现的“衍射衍射”现象。现象。Harbin Engineering University光的本性：波动说光的本性：波动说 胡克胡克 1665年，胡克提出了光的波

9、动说，认为光的传播与年，胡克提出了光的波动说，认为光的传播与水波的传播相似。水波的传播相似。1672年进一步提出光波是横波的概念。年进一步提出光波是横波的概念。 惠更斯惠更斯在在1690年出版的光论一书中正式提出了光的波年出版的光论一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭

10、圆形所致。后来，菲象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了“惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。说的全部理论。 杨氏杨氏（T.Young 1773-1829）杨氏干涉实验为波动光学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，并第一个近似地测定了七种颜色的光的波长，和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了七种颜色的光

11、的波长，从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到了又一个从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到了又一个强有力的证据。强有力的证据。 菲涅耳菲涅耳(17881827) 菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理菲涅耳以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯为基础，用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯菲涅耳原理。解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部菲涅耳原理。解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论理论。Harbin Engineering University二者的竞争二者的竞争 微粒说和波动说对不同介质中光速的解释微粒说和波动说对不同介质中光速的解释（

12、光从空气入水）（光从空气入水） 微粒说（光加速）微粒说（光加速） 波动说（光减速）波动说（光减速）Harbin Engineering University支持波动说的证据支持波动说的证据 杨氏双孔干涉实验杨氏双孔干涉实验 菲涅尔的衍射解释与菲涅尔的衍射解释与泊松亮点泊松亮点 傅科的光速测量实验傅科的光速测量实验Harbin Engineering University麦克斯韦尔的贡献麦克斯韦尔的贡献电磁波谱电磁波谱Harbin Engineering University20世纪物理学晴朗天空的两朵乌云世纪物理学晴朗天空的两朵乌云 迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验的莫雷实验的零结果零结果 黑体辐射

13、的黑体辐射的“紫外灾紫外灾难难”Harbin Engineering University光的波粒两相性光的波粒两相性尼尔斯尼尔斯玻尔玻尔Niels Bohr 1885-19621885-1962普朗克普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck1858-19471858-1947爱因斯坦爱因斯坦 (1879-1955)薛定谔薛定谔Erwin Schrdinger1887-19611887-1961海森伯海森伯Werner Karl Heisenberg1901-19761901-1976Harbin Engineering University今天的光学今天的光学纳米光子学

14、纳米光子学Harbin Engineering University21世纪的信息载体世纪的信息载体 20世纪微电子技术的迅速发展，给我们带世纪微电子技术的迅速发展，给我们带来了来了电电脑、脑、电电视、手机视、手机. 21世纪光子技术的革命，已经带给我们了世纪光子技术的革命，已经带给我们了高速网络、蓝光播放器、高速网络、蓝光播放器、3D电视、电视、LED照照明明.，今后还将带给我们，今后还将带给我们光光脑、脑、光光视、视、太阳能汽车、隐身衣、多功能食品检测装太阳能汽车、隐身衣、多功能食品检测装置等。置等。 光子学的发展还会带领我们走向太空，发光子学的发展还会带领我们走向太空，发现宜居星球；进入

15、原子核，认识世界的本现宜居星球；进入原子核，认识世界的本质；制作闻所未闻的新物质，改变世界。质；制作闻所未闻的新物质，改变世界。 选择光学选择光学=选择美好的未来！选择美好的未来！Harbin Engineering UniversityLED的五彩世界的五彩世界Harbin Engineering University战场上的光眼与光剑战场上的光眼与光剑Harbin Engineering University显示技术的革命显示技术的革命Harbin Engineering University光在帮助人类诊断和医疗光在帮助人类诊断和医疗Harbin Engineering Universi

16、ty高能量或超精细的激光加工高能量或超精细的激光加工Harbin Engineering University光通信与网络光通信与网络 以以1989年诞生的掺铒光纤放大器年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤代表的全光放大技术是光纤通信技术上的一次革命，使网络进入生活。通信技术上的一次革命，使网络进入生活。David PayneHarbin Engineering University光钟是我们有了光钟是我们有了GPS 朱棣文，朱棣文，2006诺贝尔奖诺贝尔奖Harbin Engineering Univers

17、ity光镊使我们可以摆弄细胞光镊使我们可以摆弄细胞 利用光镊可以抓住、翻转、旋转、分割活利用光镊可以抓住、翻转、旋转、分割活体细胞。体细胞。 我校理学院的单光纤光镊技术世界领先。我校理学院的单光纤光镊技术世界领先。 (a) Harbin Engineering University光学的分类：光学的分类：1）几何光学：以光的直线传播为基础，研究在）几何光学：以光的直线传播为基础，研究在 透明介质中的传播问题。包括：透明介质中的传播问题。包括： 直线传播定律、反射折射定律。直线传播定律、反射折射定律。2）物理光学：）物理光学：波动光学：以光的波动性为基础，研究光的波动光学：以光的波动性为基础，研

18、究光的 干涉、衍射、偏振。即：研究光干涉、衍射、偏振。即：研究光 的波动性。的波动性。量子光学：以光和物质的相互作用所显示的量子光学：以光和物质的相互作用所显示的 粒子性为基础。粒子性为基础。纳米光学：在微小尺度对光子进行操控。纳米光学：在微小尺度对光子进行操控。Harbin Engineering University第第2章章 几何光学几何光学 光为什么会在均匀介质中沿直线传播？光为什么会在均匀介质中沿直线传播？ 为什么在两种介质的界面上发生折射呢？为什么在两种介质的界面上发生折射呢？ 为什么会出现海市蜃楼呢？为什么会出现海市蜃楼呢？ 透镜成像的原理是什么？透镜成像的原理是什么？ 探照灯是

19、如何工作的？探照灯是如何工作的？ 有什么办法能接近理想成像？有什么办法能接近理想成像？ 在光学元件尺度远大于光波长时，可以使用几在光学元件尺度远大于光波长时，可以使用几何光学理论进行研究。何光学理论进行研究。 几何光学的研究成果应用于光学系统设计。几何光学的研究成果应用于光学系统设计。Harbin Engineering University第第1节节 费马原理费马原理 1650年年，费马提出了一个最短时间原理：光费马提出了一个最短时间原理：光从一点行进到另一点的所有可能路径中，按从一点行进到另一点的所有可能路径中，按照所需时间最短的路径前进。照所需时间最短的路径前进。 更加准确的描述却是光所

20、走的路径是光程取更加准确的描述却是光所走的路径是光程取极值（严格地说是变分为零）的那一条。极值（严格地说是变分为零）的那一条。光程：光程：nLA点点B点点不同路径对应不同不同路径对应不同函数，光程是路径函数，光程是路径函数的函数（泛函）函数的函数（泛函）Harbin Engineering University费马定理对反射定律的解释费马定理对反射定律的解释 B为为B点的镜像，点的镜像，D为为AB和界面的交点，和界面的交点，则则ADB为所有从为所有从A到到B的路线中最短的。的路线中最短的。AD+DB也就是从也就是从A经界面反射到经界面反射到B点最短点最短的距离。的距离。ABBEC DHarbi

21、n Engineering University费马定理对反射定律的解释费马定理对反射定律的解释 在在D点做界面的垂线（法线）点做界面的垂线（法线） 由图可见，由图可见， 1= 2= 3 所以，所以， 4= 5（反射定律（反射定律）ABBEC D1 4 5 3 2Harbin Engineering University费马定理对折射定律的解释费马定理对折射定律的解释 在界面上选一点在界面上选一点C(x,0)，则从则从A点经过点经过C点到点到B点的光程为点的光程为A(0,yA) ODxyB(xB,yB) C(x,0)空气空气水水iG BCCA10nn这里这里n0和和n1分别是空气和水的折射率分

22、别是空气和水的折射率Harbin Engineering University费马定理对折射定律的解释费马定理对折射定律的解释A(0,yA) ODxyB(xB,yB) C(x,0)空气空气水水iG 将光程对将光程对C点坐标求导，并令导数为点坐标求导，并令导数为0，即即0sinsin10nin2B2B12A20)()(yxxnyxnx0)()(d)(d2B2B12A20yxxxxnyxxnxxB折射定律（折射定律（Snells Law)Harbin Engineering University第第2节节 费马原理的应用与分析费马原理的应用与分析 透镜成像透镜成像 靠近光轴（图中中央的点划线）部分

23、的光线在空气中靠近光轴（图中中央的点划线）部分的光线在空气中路径最短，但在玻璃中路程最长；靠近透镜边缘的光路径最短，但在玻璃中路程最长；靠近透镜边缘的光线正相反，在空气中多走一段，但在玻璃中少走一段。线正相反，在空气中多走一段，但在玻璃中少走一段。考虑到玻璃的折射率大于空气，光线这样选择路径就考虑到玻璃的折射率大于空气，光线这样选择路径就可以保证各条光线在到达可以保证各条光线在到达B点时光程都相等，满足费马点时光程都相等，满足费马原理要求光程变分为零的条件。原理要求光程变分为零的条件。A BHarbin Engineering University喷薄的喷薄的日出日出 当我们最早看见太阳时，当

24、我们最早看见太阳时，它还在地平线以下呢！它还在地平线以下呢！S SEARTH海市蜃楼海市蜃楼+日出日出Harbin Engineering University扁扁的落日扁扁的落日Harbin Engineering University海市蜃楼海市蜃楼 沙漠（或公路）高温，沙漠（或公路）高温，地表空气稀薄，折射地表空气稀薄，折射率小率小。Harbin Engineering University海市蜃楼海市蜃楼 海洋表面温度低，空海洋表面温度低，空气密度大，折射率大气密度大，折射率大。Harbin Engineering University反射式望远镜（或探照灯）反射式望远镜（或探照灯）

25、S Q Q L L B A C ACB为抛物面的为抛物面的准线准线Harbin Engineering University旋转椭球面旋转椭球面S1S2P从一个焦点发出的光，到另外一个焦点从一个焦点发出的光，到另外一个焦点的光程相等，因此可以理想成像。（的光程相等，因此可以理想成像。（P,P点为椭球面上任意反射点）点为椭球面上任意反射点）PPHarbin Engineering University变折射率光纤变折射率光纤 这种光纤的纤芯中心部分折射率最高，由内这种光纤的纤芯中心部分折射率最高，由内向外折射率逐渐变小，可以将入射光线限制在纤向外折射率逐渐变小，可以将入射光线限制在纤芯中前进芯中

26、前进。Harbin Engineering University近轴成像公式近轴成像公式rnnlnln 称为单一折射球面的称为单一折射球面的光焦度光焦度此此为为单一折射球面的单一折射球面的近轴近轴成成像公式像公式Qlrnlrn)11()11(阿贝不变量阿贝不变量-lOCABEii-uU hn nrl Harbin Engineering University例题例题1 一个厚玻璃透镜，折射率为一个厚玻璃透镜，折射率为1.5，周围是，周围是空气（折射率为空气（折射率为1.0），左侧球面半径为），左侧球面半径为15cm，右侧球面半径为，右侧球面半径为25cm，两球面顶，两球面顶点间距为点间距为30

27、cm。 一个物点在透镜左球面左侧一个物点在透镜左球面左侧40cm的光轴的光轴上，求像点位置。上，求像点位置。Harbin Engineering University)cm(180400 . 1150 . 15 . 15 . 11010111lnrnnnl解：对左球面解：对左球面P1来说，物距来说，物距l1=-40cm, n0=1.0, n1=1.5, r1=15cm，由，由单一折射球面的单一折射球面的近轴成像公式知近轴成像公式知O P1 C2 C1 P2 In0 n1 n01011011rnnlnlnHarbin Engineering University)cm(3 .331505 . 1255 . 10 . 10 . 12121002lnrnnnl对右球面对右球面P2来说，物距来说，物距l2=180-30=150cm, r2=-25cm，则，则O P1 C2 C1 P2 In0 n1 n02102120rnnlnln最后的像点位于光轴上最后的像点位于光轴上P2后后33.3cm处。处。Harbin Engineering University空气中的薄透镜空气中的薄透镜 当透