光学新概念第一章

光学新概念第一章第一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日§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)第二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

第三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日1、热辐射

2、光的非热发射★温度辐射——在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射★电致发光——电场补给能量……日光灯★荧光——电磁波或电子束作用下……电子显象管★磷光——受电磁波或电子束作用后的持续发光……夜光表指针★化学发光——化学反应……“鬼火”★生物发光——特殊类型的化学反应……萤火虫⑴一些基本概念二、光源与光谱第四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日★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

第五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日★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

第六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

★关系式第七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日★光强度——波动观点

——电磁波的平均能流密度S所以，通常只写：←对同一介质

第八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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)第九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日§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、几何光学三定律第十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

第十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日(3)讨论②光疏媒质与光密媒质之相对性③全反射:条件→3、折射定律(2)数学表式(1)文字表述（略）；①色散现象光纤通信原理→全反射(4)应用：改变光路方向：航天器、精密光学仪器等

光的折射

第十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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）

第十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

第十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日利用全反射棱镜改变光路

3、利用全反射改变光路第十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

光在渐变折射率介质中传播

4、光在渐变折射率介质中传播——海市蜃楼第十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

光在渐变折射率介质中传播有几何关系，得则得最后得

第十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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★有第十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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在中第十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日★α为定值,则

★极值条件,则三棱镜的折射←最小偏向角

第二十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日★根据折射定律：

第二十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日因此必须★由★得

★得

★由★带入得

第二十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

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第二十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日6、棱镜作用(2)色散——

重要的分光元件两类光谱仪之一(1)改变光路——

科研、军事、生产、航天等

三棱镜的色散

第二十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日四、光路的可逆性原理

光路的可逆性原理

第二十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日§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、波的几何描述第二十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日波面与波线

第二十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日二、惠更斯原理的表述三、惠更斯原理对反射定律和折射定律的解释（烦琐：略去P16-17）惠更斯原理

次波OR

子波

第二十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

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第二十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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第三十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日水波的衍射——开孔越小，衍射现象越明显

第三十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日§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、光程第三十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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、费马原理的表述第三十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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）定性证明反射定律第三十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

第三十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日总光程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

第三十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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）定性证明折射定律第三十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日由费马原理推导折射定律

★物像光程：QMP为★得（2）定量证明折射定律第三十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日§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…；第三十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

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第四十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

第四十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日/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！

/Å第四十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日1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)

第四十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日*(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

第四十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日★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、发光强度与亮度第四十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日电灯发光强度的角分布

第四十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日●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

第四十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日●点光源（沿某一i

方向）的发光强度球坐标下立体角的求法

第四十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

第四十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

第五十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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方向上的亮度第五十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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第五十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

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

第五十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

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★按照朗伯定律和第五十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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