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文檔簡介
1、1工程學(xué)光2光是什么?墨翟(公元前468376年)墨經(jīng)墨經(jīng)光影;光的直線傳播;光的反射;平面鏡及球面鏡成像等。歐幾里德(公元前330275)反射光學(xué)反射光學(xué)“人為什么能看見物體”;光的直線傳播;平面鏡成像;光的反射等。沈括(北宋時期)夢溪筆談人類對光的研究,最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體?”之類問題。自自墨經(jīng)墨經(jīng)) )開始,公元開始,公元1111世紀(jì)阿拉伯人世紀(jì)阿拉伯人伊本伊本海賽姆海賽姆發(fā)明透鏡;公發(fā)明透鏡;公元元15901590年到年到1717世紀(jì)初,詹森和李普希同時獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡;一直世紀(jì)初,詹森和李普希同時獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡;一直到到1717世紀(jì)上半葉,才由世紀(jì)上半葉,才由
2、斯涅耳斯涅耳和和笛卡兒笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)將光的反射和折射的觀察結(jié)果,歸結(jié)為今天大家所慣用的果,歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律反射定律和折射定律。1、牛頓提出光的粒子性2、惠更斯、胡克提出光的波動性3、托馬斯楊發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象4、菲涅耳提出了完整的光的干涉衍射理論(建立起光的波動學(xué)說)(建立起光的波動學(xué)說)5、麥克斯韋提出電磁波理論并預(yù)言光是電磁波6、赫茲從實(shí)驗(yàn)上證明了光是電磁波(建立起光的經(jīng)典模型:(建立起光的經(jīng)典模型:光是一種電磁波,且是橫波)光是一種電磁波,且是橫波)7 7、2020世紀(jì)初期:量子理論認(rèn)為光既是粒子也是波動世紀(jì)初期:量子理論認(rèn)為光既是粒子也是波動(光
3、的波粒二象性)(光的波粒二象性)p 光學(xué)的發(fā)展歷史n 在20世紀(jì)初,一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波;而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子性微粒性。n 1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng),1928年發(fā)現(xiàn)的塞曼效應(yīng),以及當(dāng)時已能從實(shí)驗(yàn)上獲得的原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu),它們都表明光學(xué)的發(fā)展是與量子物理緊密相關(guān)的。光學(xué)的發(fā)展歷史表明,現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個最重要的基礎(chǔ)理論量子力學(xué)和狹義相對論都是在關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。n 此后,光學(xué)開始進(jìn)入了一個新的時期,以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。p 光學(xué)的發(fā)展歷史 什么是
4、光學(xué)?7p 什么是光學(xué)?n 狹 義 來 說 , 光 學(xué) 是 關(guān) 于 光 和 視 見 的 科 學(xué) 。optics(光學(xué))這個詞,早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。而今天,常說的光學(xué)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內(nèi)的,關(guān)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(xué)。n 光學(xué)是物理學(xué)的一個重要組成部分,也是與其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。p 經(jīng)典光學(xué)的研究內(nèi)容n 通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)(波動光學(xué))和量子光學(xué)三個大類。 n 幾何光學(xué)是從幾個由實(shí)驗(yàn)得來的基本原理出發(fā),來研究光的傳播問題的學(xué)科。它利用光線的概念、折射、反射定律來描述光在各種
5、媒質(zhì)中傳播的途徑,它得出的結(jié)果通??偸遣▌庸鈱W(xué)在某些條件下的近似或極限。n 物理光學(xué)(波動光學(xué))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(xué)科,所以也稱為波動光學(xué)。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振,以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳播時所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。n 量子光學(xué)是從光子的性質(zhì)出發(fā),來研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光學(xué)。它的基礎(chǔ)主要是量子力學(xué)和量子電動力學(xué)。上篇:幾何光學(xué)與成像理論上篇:幾何光學(xué)與成像理論n 幾何光學(xué)傳播規(guī)律1、幾何光學(xué)三定律 p 光的直線傳播定律:光在均勻介質(zhì)里沿直線傳播 注意:在非均勻介質(zhì)中,光線會因折射發(fā)生彎曲在非均勻介質(zhì)中,光線會因折射發(fā)生彎曲。這
6、種現(xiàn)象在大氣中經(jīng)常發(fā)生, 如在海邊或沙漠地區(qū)有時出現(xiàn)的海市蜃樓海市蜃樓幻景,就是因?yàn)楣饩€通過當(dāng)?shù)孛芏炔痪鶆虻拇髿猱a(chǎn)生折射而形成的。 p 反射定律: 反射線在入射線和法線決定的平面內(nèi); 反射線、入射線分居法線兩側(cè); 反射角等于入射角,11ii (光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律)p 折射定律:折射線在入射線和法線決定的平面內(nèi); 折射線、入射線分居法線兩側(cè); 折射角與入射角正弦之比與入射角無關(guān),是一 個與媒質(zhì)及光的波長有關(guān)的常數(shù): 2112sinsininin2211sinsinnini斯涅耳折射定律斯涅耳折射定律(W. Snell,1621) (絕對)折射率(絕對)折射率:光在真空中的速度與光在該材料中的速
7、度的比值注意:在折射中,頻率不變頻率不變,波速和波長都會發(fā)生改變。cnucunp 同一透明介質(zhì)對于不同波長的單色光具有不同的折射率。因此,白光經(jīng)過棱鏡后將被分解為各種不同顏色的光,在棱鏡后將會看到各種顏色,這種現(xiàn)象稱為色散。n 關(guān)于折射定律及折射率的補(bǔ)充說明:1. 折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)光密介質(zhì),折射率較小的介質(zhì)稱為光光疏介質(zhì)疏介質(zhì)。 當(dāng)光從空氣射入水(光由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)),折射角小于入射角;而當(dāng)光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),折射角大于入射角。 2. 光線從光密介質(zhì)入射入射到光疏介質(zhì),當(dāng)入射角逐漸增大到某一角度時,折射角等于90度,此時入射光全部被反射(全反全反射射),對應(yīng)的入射角稱為
8、臨界角。12sinsin90cnin21sincniarcn?發(fā)生全反射的兩個條件*全反射的應(yīng)用突變型多模光纖的光線傳播原理突變型多模光纖的光線傳播原理321y1lLxoc23纖芯n1包層n2zc1(Numerical Aperture, NA):臨界角c的正弦。NA(或或 c )越大,光纖接收越大,光纖接收光的能力越強(qiáng),從光源到光纖的光的能力越強(qiáng),從光源到光纖的越高。越高。但但NA越大,經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大,因而越大,經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大,因而限制了信限制了信息傳輸容量息傳輸容量。 所以要根據(jù)實(shí)際使用場合,所以要根據(jù)實(shí)際使用場合,選擇適當(dāng)?shù)倪x擇適當(dāng)?shù)腘A。2、光的獨(dú)立傳播
9、定律和光的可逆性原理光的獨(dú)立傳播定律光的獨(dú)立傳播定律:自不同方向或不同物體發(fā)出的光線相交時,對每一光線的傳播不發(fā)生影響,即各自保持自己原有的特性,沿原方向繼續(xù)傳播,互不影響。光的可逆性原理光的可逆性原理:當(dāng)光線的方向反轉(zhuǎn)時,它將逆著同一路徑傳播,稱為光的可逆性原理。3、費(fèi)馬原理( Fermats Principle )1n2n3nkninA1S1v2S2v3S3vkSkvBiSiv光從光從A點(diǎn)經(jīng)過幾種不同的均勻介質(zhì)到達(dá)點(diǎn)經(jīng)過幾種不同的均勻介質(zhì)到達(dá)B點(diǎn),所需點(diǎn),所需時間為:時間為:kiiiikksssst12211因?yàn)榻橘|(zhì)的折射率因?yàn)榻橘|(zhì)的折射率,iicn所以上式可寫為所以上式可寫為11i ki
10、iitn sc1i kiiin sct光在介質(zhì)中的光程光在介質(zhì)中的光程 L L 為介質(zhì)的折射率與為介質(zhì)的折射率與光在介質(zhì)中所走的幾何路程之積光在介質(zhì)中所走的幾何路程之積. . 光程定義光程定義: 若由若由A到到B充滿著折射率連充滿著折射率連續(xù)變化的介質(zhì),則光由續(xù)變化的介質(zhì),則光由A到到B的總光程為的總光程為 BAndsL所用時間為所用時間為BAndsct1光在介質(zhì)中走過的光程,等于以相同的時間在真空光在介質(zhì)中走過的光程,等于以相同的時間在真空中走過的距離中走過的距離. .nsL BAu 光程光程 1658年法國數(shù)學(xué)家、年法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家費(fèi)馬(物理學(xué)家費(fèi)馬(P. Fermat 1601-16
11、65) 概括了光線傳概括了光線傳播的三定律,發(fā)表了播的三定律,發(fā)表了“光光學(xué)極短時間原理學(xué)極短時間原理”。 經(jīng)后人修正,稱為費(fèi)經(jīng)后人修正,稱為費(fèi)馬原理。馬原理。u 費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理 如果你在湖邊看到一個小孩溺水,你當(dāng)然希如果你在湖邊看到一個小孩溺水,你當(dāng)然希望用最快的速度去營救他,那么你應(yīng)該怎么做望用最快的速度去營救他,那么你應(yīng)該怎么做才能最快呢?才能最快呢? 光在指定的兩點(diǎn)間傳播的實(shí)際路徑,光線總是沿光在指定的兩點(diǎn)間傳播的實(shí)際路徑,光線總是沿著光程為著光程為極值極值的路徑傳播。的路徑傳播。 也就是說,光沿著光程為最小值、最大值或恒定也就是說,光沿著光程為最小值、最大值或恒定值的路徑傳播。值的
12、路徑傳播。費(fèi)馬原理表述為:費(fèi)馬原理表述為:也可以說,光沿著所需時間為極值的路徑傳播。也可以說,光沿著所需時間為極值的路徑傳播。費(fèi)馬原理是幾何光學(xué)的基本原理費(fèi)馬原理是幾何光學(xué)的基本原理。 用數(shù)學(xué)的語言來描述,就是光線所經(jīng)過的光程用數(shù)學(xué)的語言來描述,就是光線所經(jīng)過的光程的變分等于零。即的變分等于零。即d d0BALnds 由費(fèi)馬原理可直接推出光在均勻介質(zhì)中沿直線由費(fèi)馬原理可直接推出光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。也可以證明,光通過兩種不同介質(zhì)界面時,傳播。也可以證明,光通過兩種不同介質(zhì)界面時,所遵從的反射定律和折射定律也是費(fèi)馬原理的必所遵從的反射定律和折射定律也是費(fèi)馬原理的必然結(jié)果。然結(jié)果。光程為極值的
13、例子光程為極值的例子:BCDAEB 由由A點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)界面點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)界面D點(diǎn)反射后通過點(diǎn)反射后通過B點(diǎn)點(diǎn),符合反符合反射定律射定律,其光程較其他任一其光程較其他任一光線光線ACB的光程都小的光程都小. 由由A到到B,符合折射定律的光符合折射定律的光線線ADB的光程的光程,比任何其他由比任何其他由A至至B的路徑的光程都小的路徑的光程都小.(1) (1) 光程為極小值光程為極小值A(chǔ)BCDE1i2iB由費(fèi)馬原理導(dǎo)出光的反射定律由費(fèi)馬原理導(dǎo)出光的反射定律ABCBM由費(fèi)馬原理導(dǎo)出光的折射定律?由費(fèi)馬原理導(dǎo)出光的折射定律? ( (2) 等光程的例子等光程的例子回轉(zhuǎn)橢球凹面鏡回轉(zhuǎn)橢球凹面鏡,自其一個焦自其一個焦點(diǎn)發(fā)出,經(jīng)鏡面反射后到達(dá)另點(diǎn)發(fā)出,經(jīng)鏡面反射后到達(dá)另一焦點(diǎn)的光線等光程。一焦點(diǎn)的光線等光程。AB透鏡物像的等光程性p 馬呂斯定律垂直于波面的光線垂直于波面的光線經(jīng)過任意多次折射和反射后,出射波面仍和出射光束垂直;且入射波面和出射波面入射波面和出射波面
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