光学新概念第一章课件

第一章光和光的传播§2光的几何光学传播规律§3光的波动光学传播基础——惠更斯原理§4费马原理§5光度学基本概念§1光和光的传播§1光和光的传播1、萌芽时期(公元前5世纪～公元15世纪末)

人眼发出的触须样；物体发出的——争论…2、几何光学时期(AC16～AC18世纪)微粒说；波动说；微粒说占上风——因为牛顿太伟大了……

3、波动光学时期(AC19～20世纪初)1865，麦克斯韦方程：电磁波波速为C→光也是电磁波1888，赫兹实验：弹性媒质以太中的横波

★成就：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思想，对光的本性认识前进了一大步。

★遗留问题：以太的问题；光波到底是什么波？

第一章光和光的传播一、光的本性(绪论)4、量子光学时间（1900～1960）①光的粒子性黑体辐射、光电效应、康普顿效应等②光的波动性大量的干涉、衍射、偏振现象③德布罗意物质波每一物质粒子都与一定波相联系戴维孙——革未电子衍射实验1927年④光的波粒二象性

E=hν；P=h/λ⑤玻恩1925年，波粒二象性的几率解释——概率波5、现代光学时期(20世纪60年代开始)关于光的本性——···至今答案没有令人满意的答案

★光速——常数★单色光——谱线宽度：★可见光:波长范围可见光：390~760nm；频率范围：连续光谱线光谱

★复色光——谱密度元素谱线波长/nm颜色钠（Na）589.0，589.6黄（D双线）汞（Hg）404.7，407.8435.8546.1（最强）577.0，579.1紫蓝绿黄镉（Cd）634.8红氪（Kr）605.7橙典型谱线

⑵光强度★坡印亭矢量：电磁波的能流密度、平面电磁波是横波平面电磁波是横波★坡印亭矢量的大小

★关系式1、几何光学

线直线传播、反射、折射、成像……应用光学2、波动光学

波干涉、衍射、偏振、光速—介质波3、量子光学粒子黑体辐射、光电效应、康普顿效应——光子……德布罗意波—概率波……波粒二象性4、现代光学光子学激光、光纤通信、非线性光学集成光学、信息光学、超快速光学……●光子计算机并行、宽带、高速、准确……梦

三、光学的研究对象、分支与应用(绪论课已经详细讨论)§2光的几何光学传播规律

1、直线传播定律：各向同性均匀介质物体的影子针孔成像

一、几何光学三定律2、反射定律①与

n无关；无色散。即不同，同一入射角，则，反射角i’相同则，对称：光路可逆③漫反射现象之解释(1)文字表述（略）(2)数学表式(3)讨论：光的反射与折射

1、全反射⑴当入射角达到某一值（临界角）时，不再有折射光而全部被反射——全反射，其临界角的大小为⑵利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。⑶光纤通信就是利用全反射原理全反射二、全反射光学纤维（光导纤维）

2、光导纤维——光学纤维⑴原理：全反射⑵结构：纤芯的折射率大于包层的照射率光导纤维的原理

利用全反射棱镜改变光路

3、利用全反射改变光路光在渐变折射率介质中传播有几何关系，得则得最后得

1、色散：折射角随波长而不同——色散光谱2、三棱镜：横截面是三角形棱镜3、三棱镜的最小偏向角三棱镜的折射

三、棱镜与色散★当★有③四边形AEOFA4、最小偏向角的求法④在中三棱镜的折射①在中

②在中★根据折射定律：

因此必须★由★得

★得

★由★带入得

三棱镜的折射5、三棱镜折射率、顶角与最小偏向角的关系

★此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行四、光路的可逆性原理光路的可逆性原理

§3惠更斯原理1、光线

：光能量的传播方向的几何线

理想模型：不是细光束2、波面：光波相位相等各点构成的面．波前：最前面的那个波面

均匀各向同性介质：直线非均匀介质：曲线3、单心（同心）光束

物点为顶点的发散光束，其波面为球面物点为顶点的发散光束

一、波的几何描述波面与波线

用惠更斯原理解释光直进性

四、直线传播问题大孔径障碍物光的传播方向用惠更斯原理可以定性解释光的衍射

五、光的衍射问题衍射问题衍射问题小孔径障碍物光的传播方向水波的衍射——开孔越小，衍射现象越明显

§4费马原理

定义：光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积光程

一、光程1、文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。

或：光沿着光程为极值的方向传播。2、数学表述：实际路径上，时间变分为零

极值极大极小恒定或实际路径上，光程变分为零费马原理

二、费马原理的表述1、反射定律由费马原理推导反射定律

三、由费马原理推导

几何光学三定律★假设在入射面内有两条光线：QM′P和QM′P显然，光程QMP≤QM′P★即QMP最短！★由于镜像对称，有光程

QM′P≡QM′P′（1）定性证明反射定律设光源面上接收器面上XOZ面上入射点面上，即分界面是XOY面（2）定量证明反射定律光源接收器入射点应用费马原理证明反射定律

总光程①由

得

即

②由

得

而

光源接收器入射点即

则

应用费马原理证明反射定律

2、折射定律由费马原理推导折射定律

★两条物像光线QM′P；QMP★显然，光程QM≤QM′

PM≤PM′★即QMP最短！★设：QQ′⊥分界面Σ；PP′⊥分界面Σ★注意M′M⊥

Q′P′（1）定性证明折射定律由费马原理推导折射定律

★物像光程：QMP为★得（2）定量证明折射定律§5光度学基本概念1、辐射通量（客观量）⑴定义：文字表述…；单位：瓦（W）；符号ψ=ψ

(λ)⑵附近内：为辐射通量谱密度⑶

一、辐射通量和光通量（主、客观量）光源表面☆光度学☆辐射度量学研究发光强弱的学科…；研究各种电磁辐射强弱的学科…；

2、光谱的响应曲线（光电仪器）客观辐射通量引起光电仪器（不同器件）响应灵敏度的物理量不同光电器件的响应灵敏度3、视见函数（客、主观量）⑵视见函数的表式⑴含义：客观辐射通量引起人眼主观视觉强度的物理量/Å视见函数曲线

/nm辐射能量对波长的分布函数视见函数曲线大自然的造化！

/Å1瓦特555nm的(客观)辐射通量相当于683流明的光通量(主、客观量)

(1)定义：辐射通量与视见函数的乘积；单位：流明；符号:

lm

；(2)数学表式最大光谱光视效能

(最大功光当量)Km的物理意义/nm辐射能量对波长的分布函数(3)光谱光视效能——功光当量4、光通量Φ(客、主观量)

*(5)电光源（辐射体）发光效率——遍计发光效率*(4)光源的光通量表式★单色光★复色光

★用I

表示，单位是坎德拉（cd

），简称“坎”

1、含义：光源在一定方向范围内发出光通量的空间分布（客、主观量）2、量度方法：点光源在单位立体角中发出的光通量的数值★数学表式I应当是可以测量●发光强度是SI制7个基本物理量之一发光强度物理意义

二、发光强度与亮度电灯发光强度的角分布

●发光强度数学表式●立体角的计算方法球坐标下立体角的求法立体角的几何意义

●点光源（沿某一i

方向）的发光强度球坐标下立体角的求法

⑴1881年,“烛光”，国家电工技术委员会（用蜡烛发光）⑵1909年，“国际烛光”，英法美协议，白炽灯⑶1937年，国际计量委员会（CIPM），

规定“新烛光”：1940.1.1执行⑷1948年，第九届国际计量大会。规定“坎德拉”为发光强度单位⑸我国1979年，建立铂凝固点黑体光度基准，±0.3%

3、光度学基准的界定及其演变

——烛光——发光强度

坎德拉是频率为的单色辐射源，在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为1/683瓦特/球面度。（W/sr）——（主、客观量）

注：540.0154Hz的辐射在空气中波长为550nm，即黄绿光4、发光强度——坎德拉的最新定义（1979年10月，第十届国际计量大会通过）1（cd）坎德拉=1/683瓦特/球面度（W/sr）

(555nm)

=1流明/球面度（lm/sr）

(555nm)

1(W)瓦特(555nm)辐射通量相当于683流明的光通量

1、定义★发光面法线方向上单位面积之发光强度★亮度的单位：熙提（sb）即：流明每平方米球面度★亮度——主客观量：发光表面的发光强度分布

亮度的含义2、计算：r方向上的亮度1、余弦发光体★朗伯定律●朗伯光源的含义●朗伯光源的物理意义:各个方向的亮度相同即：L与

无关

三、余弦发光体和定向发光体●朗伯光源也就是余弦发光体朗伯光源的亮度

球面朗伯光源的亮度2、朗伯光源亮度的计算★按照亮度的定义

★朗伯定律★球面朗伯光源dS，其法线方向亮度为（1）球面朗伯光源的亮度

球面朗伯光源的亮度★得球面朗伯光源的亮度

★结论——球面朗伯光源的亮度与方向无关！

★任意方向（比如，与赤道平面垂直方向）亮度为★按照朗伯定律和平面朗伯光源的亮度（2）平面朗伯光源亮度的计算★法线方向亮度的计算★任意方向亮度的计算★按照朗伯定律

★结论——平面朗伯光源的亮度也与方向无关！！

3、定向发光体激光器的亮度