几何光学基本定律

1、几何光学基本定律第1页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一几何光学是以光的直线传播为根据来研究光线在介质中的传播规律，如成象，反射，折射.,各种光线仪器是以几何光学为基础发展起来的。几何光学也在这些仪器的改进和发展中得到发展.理论和实践是分不开的。几何光学研究了光的表观现象，没有涉及光的本性。关于光的本性将在这章和近代物理有关章节加以讨论。本章主要从波动性了讨论光现象的一些规律:干涉，衍射，偏振.，故称为波动光学。光具有波粒二象性，光波是电磁波的一部分，其波长范围为,为人们视觉所感觉到,包含7种颜色，波长最长的为红光，波长最短的为紫光。 在波面线度远远大于波长时，研究光的反射、

2、折射成像等问题，如果不用波长、位相等波动概念而代之以光线和波面等概念，并用几何的方法来研究，将更为方便。第2页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一几何光学：运用光线和波面的概念，以光的几个实验定律以及几何学的一些公理、定理为基础来研究光在介质中的传播。光线表示光波传播方向的带箭头的几何线波面光波相位相同的面。波面是垂直于光线的平面或者曲面。 第3页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一1.1 几何光学的基本定律一、几何光学的基本思想1.几何光学是波动光学在光波长趋于零的极限.2.几何光学:把光的概念和几何学中的点、线、面有机 地联系起来.3.几何光学主要研究光的传

3、播规律和成像原理.第4页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一二、光波与光线1.光是一种电磁波，其在空间的传播和在界面的行为 遵从电磁波的一般规律。 (m )0.05m0.400.762.010500紫外可见近红外中红外远红外红外不同波长产生不同色感第5页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一2. 单色光：具有单一波长的光。 3. 复色光： 不同波长的单色光混合而成的光。棱镜光栅激光滤光片第6页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一4.光源： 能够辐射光能量的物体。如日光灯、 太阳、白炽灯、碘钨灯、钠灯、激光器等。发光体：任何一个发光体均可看成点光源的

4、集合。物体平面波球面波球面波第7页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一 5.光线：自光源出发、携带着能量具有方向的几何 线，光线的方向即为光波传播的方向。6.波面：某时刻光波振动的同位相点构成的面。平面波：波面为垂直于光线的平面。 球面波：波面为一点光源为心的球面。 任意曲面波：波面为任意曲面的光波面。第8页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一 三、几何光学的基本定律1.光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播.2.光的反射定律和折射定律第一种媒质1（空气）第二种媒质2（玻璃或水）两种媒质分界面分界面可大可小，在几何光学尺度内是平面。两种媒质1、2，都是均匀的

5、、透明的、各向同性的。一束光线由媒质1射到分界面上时，在一般情况下它将分解为两束光线，即反射光线和折射光线。第9页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一 入射光线与分界面法线N构成的平面称入射面，如图所示，入射角i1，反射角i1，折射角i2。实验表明：（1）反射光线与折射光线都在入射面内；（2）反射角等于入射角i1=i1；（3）折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的常数。sini1/sini2=n12(常数)比例常数 n12称为第二种媒质相对第一种媒质的折射率，上式有时也称做斯涅耳定律（W，snell, 1621）snells law (snell 莱顿

6、大学教授)第10页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一第11页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一 绝对折射率：任何媒质相对于真空的折射率称为该媒质的绝对折射率。相对折射率：第二种媒质相对第一种媒质的折射率。n12=n2/n1因为n12=n2/n1 ,因此对斯涅耳定律还可写成如下形式：n1sini1=n2sini2光密媒质：折射率较大的媒质称光密媒质.光疏媒质：折射率较小的媒质称光疏媒质.第12页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一 3 .全反射当光线从光密媒质射向光疏媒质(n1n2 )时，由折射定律知 i1ic时，折射光线消失，光线全部反射，这

7、种现象称全反射。第13页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一突变型多模光纤的光线传播原理数值孔径 为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z轴一致， 如下图。 光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。 第14页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一 改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。 根据全反射原理， 存在一个临界角c。 当c时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。 由此可见，只有在半锥角为c的圆

8、锥内入射的光束才能在光纤中传播。 第15页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一 根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯涅耳定律 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 n0=1，由上式经简单计算得到 式中=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。 NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。 对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好; 但NA越大，经光纤传

9、输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。 所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 第16页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一 1.3 成像的基本概念与完 善成像条件一、 共轴光学系统与成像概念由若干个透镜、棱镜、平面镜等光学元件构成的系统成为光学系统。若这些光学元件的曲率中心同在一条直线上，则称为共轴光学系统。AA光轴光学系统第17页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一完善成像：如果一个点物经光学系统后能精确成一点像或者说，一球面波经光学系统后仍为一球面波，就成该系统可完善成像。一个实物是许多点物的集合，一个像亦为许多个像点的集合，能够成完善像点的光学系统，亦能对实物完善成像。第18页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一二、 完善成像条件：A: 入射光为同心光束时，出射光亦为同 心光束。B: 物点（任意）及其像点间任意二光线 其光程相等。三、 物、像的虚实由实际光线相交所形成的点实物点实像点由实际光线的延长线相交所形成的点虚像点虚物点第19页，共22页，2022年，5月20日，9点6分，星期一实物=实物点的集合虚物=虚物点的集合实像=实像点的集合虚像=虚像点的集合AAAAAAAA第2