大学物理光学5

第六篇

光学光为什么重要？《圣经·创世纪》起初，上帝创造天地。⋯⋯上帝说：“要有光”，于是就有了光。⋯⋯这是头一日。人来到世间，睁开眼就看到了光，从此伴人一生。人获取外界的信息，90%以上靠光作媒质！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21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宙学和光学领域的专家。光学（Optics），目前更多地被光子学（Photonics）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，需要大家的共同努力......光学发展给我们带来了什么？第1章光是什么？“光是什么？”不同的人将会有不同的答案。光是视觉，是眼睛所见。光是光线。光是一种电磁波。光是能量子。⋯⋯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，现在看来还为时过早。也许这个问题永远也没有一个终极正确的答案。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，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》。其中《经上》，《经下》、《经说上》、《经说下》及《大取》、《小取》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.光学的发展历史《礼记》“左佩金燧”、“右佩木燧”《玉篇》“燧，以取火于日”

唐初孔颖达（574-648）“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”恩培多克勒（Empedocles公元前490-430）和欧几里得（Euclid,公元前300）关于光学的系统著作。光的本性：微粒说笛卡儿1638年，提出一种无所不在的“以太”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，并用以推出光的折射定律。斯涅耳（W.Snell,约1580-1626）费马（P.Fermat,1601-1665）牛顿

1704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。牛顿坚持光的微粒说，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。它也能解释光的折射与反射，甚至经过修改也能解释F.M.格里马尔迪发现的“衍射”现象。光的本性：波动说胡克

1665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。1672年进一步提出光波是横波的概念。惠更斯在1690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“惠更斯--菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。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，并第一个近似地测定了七种颜色的光的波长，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强有力的证据。菲涅耳(1788～1827)

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－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。二者的竞争微粒说和波动说对不同介质中光速的解释（光从空气入水）

微粒说（光加速）波动说（光减速）支持波动说的证据杨氏双孔干涉实验菲涅尔的衍射解释与泊松亮点傅科的光速测量实验麦克斯韦尔的贡献——电磁波谱20世纪物理学晴朗天空的两朵乌云迈克尔逊-莫雷实验的零结果黑体辐射的“紫外灾难”光的波粒两相性尼尔斯·玻尔

NielsBohr

1885-1962普朗克

MaxKarlErnstLudwigPlanck

1858-1947爱因斯坦(1879-1955)薛定谔

ErwinSchrödinger

1887-1961海森伯

WernerKarlHeisenberg

1901-1976

今天的光学——纳米光子学21世纪的信息载体20世纪微电子技术的迅速发展，给我们带来了电脑、电视、手机......21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、3D电视、LED照明......，今后还将带给我们光脑、光视、太阳能汽车、隐身衣、多功能食品检测装置等。光子学的发展还会带领我们走向太空，发现宜居星球；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。选择光学=选择美好的未来！LED的五彩世界战场上的光眼与光剑显示技术的革命光在帮助人类诊断和医疗高能量或超精细的激光加工光通信与网络以1989年诞生的掺铒光纤放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier,EDFA)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。DavidPayne光钟是我们有了GPS朱棣文，2006诺贝尔奖光镊使我们可以摆弄细胞利用光镊可以抓住、翻转、旋转、分割活体细胞。我校理学院的单光纤光镊技术世界领先。光学的分类：1）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：直线传播定律、反射折射定律。2）物理光学：①波动光学：以光的波动性为基础，研究光的干涉、衍射、偏振。即：研究光的波动性。②量子光学：以光和物质的相互作用所显示的粒子性为基础。③纳米光学：在微小尺度对光子进行操控。第2章几何光学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？为什么会出现海市蜃楼呢？透镜成像的原理是什么？探照灯是如何工作的？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。第1节费马原理1650年，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，按照所需时间最短的路径前进。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。光程：A点B点不同路径对应不同函数，光程是路径函数的函数（泛函）费马定理对反射定律的解释B'为B点的镜像，D为AB'和界面的交点，则ADB'为所有从A到B'的路线中最短的。AD+DB也就是从A经界面反射到B点最短的距离。ABB′ECD费马定理对反射定律的解释在D点做界面的垂线（法线）由图可见，1=2=3所以，4=5（反射定律）ABB′ECD14532费马定理对折射定律的解释在界面上选一点C(x,0)，则从A点经过C点到B点的光程为A(0,yA)

ODxyB(xB,yB)

C(x,0)空气水iG这里n0和n1分别是空气和水的折射率费马定理对折射定律的解释A(0,yA)

ODxyB(xB,yB)

C(x,0)空气水iG将光程对C点坐标求导，并令导数为0，即折射定律（Snell'sLaw)第2节费马原理的应用与分析透镜成像靠近光轴（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可以保证各条光线在到达B点时光程都相等，满足费马原理要求光程变分为零的条件。A

B喷薄的日出当我们最早看见太阳时，它还在地平线以下呢！SSEARTH海市蜃楼+日出扁扁的落日海市蜃楼沙漠（或公路）高温，地表空气稀薄，折射率小。海市蜃楼海洋表面温度低，空气密度大，折射率大。反射式望远镜（或探照灯）

S

Q

Q

L

L¢

B

A

C

ACB为抛物面的准线旋转椭球面S1S2P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。（P,P'点为椭球面上任意反射点）P'P变折射率光纤

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芯中前进。近轴成像公式F称为单一折射球面的光焦度此为单一折射球面的近轴成像公式阿贝不变量-lOCABEii’-uU’

hnn’rl'例题1一个厚玻璃透镜，折射率为1.5，周围是空气（折射率为1.0），左侧球面半径为15cm，右侧球面半径为25cm，两球面顶点间距为30cm。一个物点在透镜左球面左侧40cm的光轴上，求像点位置。解：对左球面P1来说，物距l1=-40cm,n0=1.0,n1=1.5,r1=15cm，由单一折射球面的近轴成像公式知OP1C2C1P2In0

n1

n0对右球面P2来说，物距l2=180-30=150cm,r2=-25cm，则OP1C2C1P2In0

n1

n0最后的像点位于光轴上P2后33.3cm处。空气中的薄透镜当透镜放在空气中，n1=n2=1，上式化为AFOF’BAF’BOF这就是空气中的薄透镜成像公式。透镜的横向放大率设物高为y，像高为y'，则透镜的横向放大率为这里的符号规定和前面一样，例如图中凸透镜的横向放大率M<0，成倒立像；而凹透镜的横向放大率M>0，成正立像。AFOF’BAF’BOF-y'y'yy例题2一个焦距为20