光學(緒論)+幾何光學1.ppt

光學 參考書1 光學郭永康高等教育出版社2 光學蔡履中科學出版社3 現(xiàn)代光學基礎鐘錫華北京大學出版社 期末總成績構成平時作業(yè) 20分平時成績 10分期中考試 20分期末考試 50分 教材光學趙凱華高等教育出版社 4 光學原理玻恩電子工業(yè)出板社 光學緒論 一 光學研究內(nèi)容二 光學發(fā)展歷史三 為什么學習光學 一 光學研究內(nèi)容光學研究光的本性 光的發(fā)射 傳播 接收和光與物質(zhì)的相互作用等方面的規(guī)律 光學研究是廣義的 是研究從微波 紅外線 可見光 紫外線直到X射線的寬廣波段范圍 關于電磁輻射的發(fā)生 傳播 接收和顯示 以及跟物質(zhì)相互作用的科學 光學是物理學的一個重要組成部分 也是與其他應用技術緊密相關的學科 光學分成幾何光學 物理光學和量子光學幾何光學是從光線的概念出發(fā) 研究光在各種媒質(zhì)中傳播的特點和成像規(guī)律 物理光學是從光的波動性出發(fā)來研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學科 通常也稱為波動光學 波動光學研究光的干涉 光的衍射 光的偏振 以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳播的現(xiàn)象和規(guī)律 量子光學是從光子的性質(zhì)出發(fā) 研究光與物質(zhì)相互作用的學科 它的基礎主要是量子力學和量子電動力學 墨子 前468年 前376年 對光學很有研究 研究光的直線傳播 光的反射和若干物影成像規(guī)律 二 光學發(fā)展歷史 中國的 墨經(jīng) 中記錄了世界上最早的光學知識 它有八條關于光學的記載 影的定義和生成 光的直線傳播性和針孔成像 在平面鏡 凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系 自 墨經(jīng) 開始 公元11世紀阿拉伯人伊本 海賽木發(fā)明透鏡 公元1590年到17世紀初 詹森和李普希同時獨立地發(fā)明顯微鏡 17世紀上半葉 斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結果 歸結為今天大家所慣用的反射定律和折射定律 光的機械論認識 粒子 波動之爭 斯涅耳 笛卡兒 費馬 胡克 牛頓 惠更斯 楊氏 T Young1773 1829 楊氏干涉實驗為波動光學的復興作出了開創(chuàng)性的工作 用干涉原理解釋牛頓環(huán)的成因和薄膜的彩色 但是由于楊氏的見解大部分是定性的表達 所以沒有贏得普遍認可 波動理論的復興 1818年巴黎科學院有獎征文活動 支持光的粒子說觀點 但是他們的希望落空了 因為 盡管有強烈的反對 獎金還是授給了以波動理論為其論述基礎的菲涅耳 A J Fresnel 1788 1827 而且這只不過是接連這樣一系列研究的第一篇 這些研究在幾年之內(nèi)就使微粒理論的聲譽喪失盡凈 傅科與斐索和布雷格特在1850年所進行的一項由阿拉果首先建議的實驗 確認光速在空氣中和水中哪個更快 傅科 斐索 布雷格特 麥克斯韋推測光波是電磁波 光波電磁理論的建立 法拉第 M Famday 1791 1867 麥克斯韋 J C Maxwe 1831 1879 1888年赫茲的直接實驗所證實光就是電磁波 電磁波譜 經(jīng)典物理的大廈的建成 經(jīng)典光學不能說明光的發(fā)射過程和吸收過程 在這些過程中 物質(zhì)和光波場相互作用的精細面貌被顯現(xiàn)出來 支配這些過程的規(guī)律 是近代光學 基爾霍夫 G R Kirchhoff 1824 1887 夫瑯禾費 J Fmunhofer 1787 1826 近代物理的開啟 光譜 近代物理的開啟 紫外災難 瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計力學和電磁波理論 導出黑體輻射公式 該公式要求輻射能量隨頻率的增長而趨于無窮大 瑞利 J W S Rayleigh1842一1919 金斯 J H Jeans1877 1946 量子力學的誕生 為了解決黑體輻射理論中的矛盾 1900年普朗克提出了量子假說 認為各種頻率的電磁波 包括光 只能像微粒似地以一定最小份額的能量程 h 稱為能量子 發(fā)生 其中h 6 55 l0 27爾格 秒 是普朗克常數(shù) 我們可以說 常數(shù)h的出現(xiàn)是近代物理學區(qū)別于舊物理學的標志 普朗克MaPlanck 1858 1947 光本質(zhì)的再認識 愛因斯坦根據(jù)普朗克理論 于1905年使光的微粒理論在一種新形式下復活起來 他假設 普朗克的能量量子作為實在的光粒子而存在 這種光粒子叫做 光量子 或 光子 由此他成功地解釋了當時在光 粒子能量轉(zhuǎn)換方面新發(fā)現(xiàn)不久的一些現(xiàn)象 它們用波動理論不能夠說明 其中主要是所謂光電效應和光化學基本規(guī)律 愛因斯坦 1879 1955 量子力學的誕生 玻爾 N Bohr 1885 1962 把量子理論應用到原子結構 于1913年成功地解釋了氣體線光譜的簡單規(guī)律 從這些開端和越來越多的實驗材料 發(fā)展出了現(xiàn)代量子力學 海森伯 W H iseb垮 玻恩 M Bom 約旦 P Jordan 德布羅意 L deBroglie 薛定諤 E Schr dinger 狄拉克 P A M Dimc 玻爾 海森伯 薛定諤 狄拉克 玻恩 德布羅意 場和物質(zhì)相互作用的詳細理論 需要把量子力學方法的領域加以擴大 場量子化 對于電磁輻射場 這項工作是首先由狄拉克做出的 這些研究形成量子光學的基礎 量子光學的誕生 現(xiàn)代光學和應用 激光的誕生 1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念 LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation LASER 1960年 休斯頓航空公司的TheodoreMalman用人造紅寶石制造了一個激光器 694nm 1960年AliJavan成功制備第一臺連續(xù)激光器 即He Ne激光 6328nm 各種工作介質(zhì) 各種泵浦方式 各種波段的激光先后出現(xiàn) Ns ps fs as激光 非線性光學 現(xiàn)代光譜學 早在1966年 高錕就取得了光纖物理學上的突破性成果 他計算出如何使光在光導纖維中進行遠距離傳輸 這項成果最終促使光纖通信系統(tǒng)問世 而正是光纖通信為當今互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路 信息光學 后續(xù)課程1 光波導理論2 光纖通信基礎3 激光原理4 非線性光學導論5 光電子學 其它課程1 偏振光學5 超快光學2 統(tǒng)計光學6 傅里葉光學3 光子晶體7 量子光學4 薄膜光學8 非線性光纖光學 三 為什么學習光學 信息載體 電子 electron 光子 photon 電子學 光子學 光子學與電子學一起扮演著信息化社會兩大關鍵支柱的重要角色 28 光子較電子優(yōu)勢 1 光子頻率高 具有較高信息容量2 光子傳遞速度快 比電子快幾個數(shù)量級 3 光子具有極強的互聯(lián)能力和并行信息處理能力 4 光子波長短 具有較高的信息處理能力 光子能夠同時進行一維 二維和三維存儲能力 存儲能力比電子高106到095 激光技術產(chǎn)生的超短光脈沖比電脈沖要短103 可以用于診斷超快物理和化學過程 6 光子能為人們的眼睛所接受 具有直接顯示色彩的功能 7 光子能量與絕緣體和半導體中的電子 聲子產(chǎn)生共振相互作用 利用這種相互作用易于解決信息產(chǎn)生和接受等問題 30 光子產(chǎn)業(yè)的內(nèi)容和分類 科研 軍事 能源 交通 工業(yè) 農(nóng)業(yè) 醫(yī)療 環(huán)保 文娛 光子產(chǎn)業(yè) 光通信產(chǎn)業(yè) 光信息產(chǎn)業(yè) 激光產(chǎn)業(yè) 光學產(chǎn)業(yè) 教學內(nèi)容1 緒論2 幾何光學3 光波干涉和相干性4 衍射光學5 信息光學引論6 光在晶體中的傳播7 吸收 色散和散射 第一章幾何光學的基本原理 GeometricalOptics 照相機 投影儀 常見光電儀器 顯微鏡 望遠鏡 大型天文望遠鏡 光電儀器三大部分 機械部分 儀器的傳動機構 聯(lián)接機構 調(diào)整機構 殼體等 電器部分 各種電子線路 照明 顯示 計算機控制等 光學部分 由各類透鏡 棱鏡 平面鏡 光柵等光學元件組合而成 幾何光學是光學中發(fā)展最早的一部分 它所研究的中心問題是物體經(jīng)光學系統(tǒng)成像的問題 它是以光線概念為基礎 研究光的傳播規(guī)律和成像規(guī)律 適用條件 傳播時遇到障礙物的尺寸遠大于波長 幾何光學的基本原理 2 反射定律 從三定律出發(fā) 研究光線經(jīng)不同界面的傳播方向 研究光線的傳播和成像問題 一 幾何光學的基本實驗定律 1 直線傳播定律 光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播 平面鏡成像規(guī)律 日全食 2 光的反射定律 3 光的折射定律 二 三定律 內(nèi)容 介質(zhì)2 介質(zhì)1 分界面 物 像 棱鏡 Prisms 棱鏡由拋光平面包圍著的透明介質(zhì)組成 可以改變光線傳播方向 三 全反射 光密介質(zhì) n1 到 光疏介質(zhì) n2 入射角大于臨界角 全反射圖片 按照波動理論 產(chǎn)生全反射時除反射波外 在光疏介質(zhì)中并非完全不存在透射波 只不過它沿界面方向傳播 且其振幅在垂直界面方向按指數(shù)衰減 透入深度只有波長量級 稱為倏逝波 或隱失波 但平均來說 光波的能量全部返回光密介質(zhì) 在光疏介質(zhì)中并不形成透射光 光導纖維 Lightcantravelwithlittlelossinacurvedopticalfiber becausethelightistotallyreflectedwheneveritstrikesthecore claddinginterfaceandbecausetheabsorptionoflightbythecoreitselfissmall 全反射棱鏡 倒轉(zhuǎn)棱鏡 屋脊形五棱鏡 主要用于改變光傳播方向并使像上下左右轉(zhuǎn)變 2費馬原理 Fermat sPrinciple Fermat于1679年提出的 它是從光程的觀點描述光傳播的規(guī)律 光程的概念對幾何光學的重要意義體現(xiàn)在費馬原理中 幾何光學的基礎是前面所提到三個實驗定律 費馬卻用光程的概念高度概括地把它們歸結成一個統(tǒng)一的原理 一 光程 分段均勻 QP 光程定義 光線路徑的幾何長度與所經(jīng)過的介質(zhì)折射率的乘積 均勻介質(zhì) n1 l1 n2 l2 n3 l3 對于非均勻介質(zhì) 光程與相位差 即 光程與時差 Q P的傳播時間 介質(zhì)中光速用真空光速和折射率代替 光程的另一角度認識光經(jīng)歷Q和P兩點的光程等于傳播時間乘以真空光速 二 費馬原理的表述 從一點到另一點的一條實際光線取這樣的路徑 其光程與鄰近路徑光程相比是極大值 極小值或穩(wěn)定值 或光程沿平穩(wěn)值路徑傳播 平穩(wěn)值的三種基本的含義 極小值 常見情況 常數(shù) 成像系統(tǒng)的物像關系極大值 個別現(xiàn)象 費馬原理的數(shù)學表達式 路徑積分 是路徑 l 的泛函 俗稱函數(shù)的函數(shù) 平穩(wěn)值要求變分為零 為變分符號 光程為平穩(wěn)值的典型情況 費馬原理應用例題 雙曲透鏡聚焦平行光一寬平行光入射于一透鏡 要求其透射光線嚴格聚焦于F點 試問 應該是何形狀 嚴格成像 嚴格等光程 解出 是一條二次曲線 曲面是旋轉(zhuǎn)雙曲面 反射等光程面 旋轉(zhuǎn)橢球面 旋轉(zhuǎn)拋物面 三 費馬原理與三個實驗定律 1 光在均勻介質(zhì)中直線傳播 2 反射定律 要點 反射光線在入射面 反射角等于入射角 光程最短 M 3 折射定律 1 折射光線在入射面內(nèi) 方法和反射定律推導一樣 2 入射角和折射角的關系 Q M P的光程 根據(jù)費馬原理 L對x的一階導數(shù)為零 四 費馬原理與成像 其中 等光程與成像 嚴格等光程 嚴格成像