光學(xué)_01光和光的傳播

1、第一章 光和光的傳播 學(xué)好光學(xué)課的重要意義學(xué)好光學(xué)課的重要意義n當(dāng)今科研前沿的熱門學(xué)科當(dāng)今科研前沿的熱門學(xué)科n光學(xué)課程是眾多光學(xué)方面課程的基礎(chǔ)啟蒙課程光學(xué)課程是眾多光學(xué)方面課程的基礎(chǔ)啟蒙課程 如：激光原理與技術(shù)，量子光學(xué)，信息學(xué)光纖如：激光原理與技術(shù)，量子光學(xué)，信息學(xué)光纖光學(xué)，集成光學(xué)，光譜學(xué)，光子開關(guān)術(shù)全息光光學(xué)，集成光學(xué)，光譜學(xué)，光子開關(guān)術(shù)全息光存儲(chǔ)技術(shù)，光纖通信技術(shù)原理，非線性光學(xué)，存儲(chǔ)技術(shù)，光纖通信技術(shù)原理，非線性光學(xué)，晶體光學(xué)，原子光學(xué)，光電信號(hào)檢測技術(shù)等晶體光學(xué)，原子光學(xué)，光電信號(hào)檢測技術(shù)等 人類感官接收到外部世界的總信息量中至人類感官接收到外部世界的總信息量中至少有少有9090以

2、上通過眼睛。以上通過眼睛。 光學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門新興的光學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門新興的年青學(xué)科。年青學(xué)科。 激光器誕生后，光學(xué)開始了迅猛發(fā)展，成激光器誕生后，光學(xué)開始了迅猛發(fā)展，成為科研前沿極為活躍的學(xué)科。為科研前沿極為活躍的學(xué)科。1.1光的本性光的本性光學(xué)發(fā)展的簡史（五光學(xué)發(fā)展的簡史（五 個(gè)個(gè) 時(shí)時(shí) 期）期）一、萌芽時(shí)期一、萌芽時(shí)期 公元前公元前500500年年- -公元公元15001500年：經(jīng)歷大約年：經(jīng)歷大約20002000年年 面鏡、眼鏡和幻燈等光學(xué)元件已相繼出現(xiàn)面鏡、眼鏡和幻燈等光學(xué)元件已相繼出現(xiàn)二、幾何光學(xué)時(shí)期二、幾何光學(xué)時(shí)期 1500-18001500-1800，

3、大約，大約300300年年1 1、建立了光的反射定律和折射定律，、建立了光的反射定律和折射定律， 奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)2 2、研制出了望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等光學(xué)儀器、研制出了望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等光學(xué)儀器3 3、牛頓為代表的牛頓為代表的微粒說微粒說占據(jù)了統(tǒng)治地位占據(jù)了統(tǒng)治地位4 4、對(duì)折射定律的解釋是、對(duì)折射定律的解釋是錯(cuò)誤錯(cuò)誤的的 亦即：光在光密媒質(zhì)中的速度較大亦即：光在光密媒質(zhì)中的速度較大21vvnn111222vv sinvv sinttii1221sin/sinv /vii 1221/sin/sinnnii2121v /v/nn1vt1vn1v1i2i2v2vn2vt21nn折

4、射定律：折射定律：三、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期三、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期 1800-19001800-1900，近，近100100年年1 1、楊氏利用實(shí)驗(yàn)成功地解釋了光的干涉現(xiàn)、楊氏利用實(shí)驗(yàn)成功地解釋了光的干涉現(xiàn)象象2 2、惠更斯菲涅耳原理成功地解釋了光的、惠更斯菲涅耳原理成功地解釋了光的衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象3 3、菲涅耳公式成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象、菲涅耳公式成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象4 4、麥克斯韋的電磁理論證明光是電磁波、麥克斯韋的電磁理論證明光是電磁波5 5、傅科的實(shí)驗(yàn)證實(shí)光在水中傳播的速度小、傅科的實(shí)驗(yàn)證實(shí)光在水中傳播的速度小于在空氣中的傳播速度于在空氣中的傳播速度6 6、波動(dòng)光學(xué)的理論體系已經(jīng)形成，光的波、波

5、動(dòng)光學(xué)的理論體系已經(jīng)形成，光的波動(dòng)說戰(zhàn)勝了光的微粒說動(dòng)說戰(zhàn)勝了光的微粒說四、量子光學(xué)時(shí)期四、量子光學(xué)時(shí)期 1900-19501900-1950，近，近5050年年1 1、19001900年普朗克提出了量子假說，成功地解釋了年普朗克提出了量子假說，成功地解釋了 黑體輻射問題黑體輻射問題2 2、愛因斯坦提出了光子假說，成功地解釋了、愛因斯坦提出了光子假說，成功地解釋了 光電效應(yīng)問題光電效應(yīng)問題3 3、光的某些行為象經(jīng)典的、光的某些行為象經(jīng)典的“波動(dòng)波動(dòng)”4 4、另一些行為卻象經(jīng)典的、另一些行為卻象經(jīng)典的“粒子粒子”光的兩種互補(bǔ)性質(zhì)：光的兩種互補(bǔ)性質(zhì)：傳播過程中顯示波動(dòng)性傳播過程中顯示波動(dòng)性與其他物

6、質(zhì)相互作用時(shí)顯示粒子性與其他物質(zhì)相互作用時(shí)顯示粒子性光具有波粒二象性光具有波粒二象性光的本性光的本性五、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期五、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期 從從19501950年至今年至今 1 1、全息術(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù)和激光的問世、全息術(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù)和激光的問世 是經(jīng)典光學(xué)向現(xiàn)代光學(xué)過渡的標(biāo)志是經(jīng)典光學(xué)向現(xiàn)代光學(xué)過渡的標(biāo)志2 2、光學(xué)煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度、光學(xué)煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度 飛速發(fā)展飛速發(fā)展 1 1）智能光學(xué)儀器）智能光學(xué)儀器 2 2）全息術(shù)）全息術(shù) 3 3）光纖通信）光纖通信 4 4）光計(jì)算機(jī)）光計(jì)算機(jī) 5 5）激光光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法）激光光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法 1.21.2、 光源與光譜光源

7、與光譜 760040001 1）可見光的波長范圍：可見光的波長范圍： 其中：其中： 頻率：頻率： 真空中的光速：真空中的光速： 對(duì)應(yīng)的頻率范圍：對(duì)應(yīng)的頻率范圍： cm8101/csmc/1038Hz14109 . 35 . 7光源光源2 2）光強(qiáng)：）光強(qiáng)：通過單位面積的平均光功率，通過單位面積的平均光功率， 或者說，光的平均能流密度。或者說，光的平均能流密度。3 3）光強(qiáng)表達(dá)式：光強(qiáng)表達(dá)式： ， 分別是相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁率分別是相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁率 分別是真空介電常數(shù)和真空磁率分別是真空介電常數(shù)和真空磁率 HESHEHE00200EHES,00在光頻波段在光頻波段 故故1001/ 00/1

8、c/nc20200EcnnES 真空中電磁波的波動(dòng)方程： 可得：在不同媒質(zhì)中有：在相同介質(zhì)中有： 0cos()EEt2222001cos ()(1cos(2()2EEtEt2220000011cos ()TTnnISE dtEt dtTcTc2200000(1 cos(2()22TnnIEtdtEcTc2022201121EnEnII20nEI 4 4）相對(duì)光強(qiáng)：）相對(duì)光強(qiáng)： 注意：注意： 光強(qiáng)是一個(gè)平均值光強(qiáng)是一個(gè)平均值20EI 2002nISEc5 5）光強(qiáng)定義為一個(gè)平均值的原因）光強(qiáng)定義為一個(gè)平均值的原因響應(yīng)時(shí)間：能夠被感知或被記錄所需的最短時(shí)間響應(yīng)時(shí)間：能夠被感知或被記錄所需的最短時(shí)間

9、人眼的響應(yīng)時(shí)間：人眼的響應(yīng)時(shí)間： 最好的儀器的響應(yīng)時(shí)間大約：最好的儀器的響應(yīng)時(shí)間大約： 光波的振動(dòng)周期：光波的振動(dòng)周期： 人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度有實(shí)際意義的是光波的平均能流有實(shí)際意義的是光波的平均能流 st1 . 0s910sT1510Tt光光 譜譜1 1）單色光：）單色光：僅有單一波長的光叫單色光，否則僅有單一波長的光叫單色光，否則是非單色光。是非單色光。2 2）譜密度：）譜密度： 3 3）光譜：）光譜：譜密度隨波長變化的分布曲線譜密度隨波長變化的分布曲線 4 4）連續(xù)光譜：）連續(xù)光譜：光譜隨波長的變化分布連續(xù)叫做光譜隨波長的變化分布連續(xù)

10、叫做 連續(xù)光譜連續(xù)光譜 ddIddIi)(00)(didII5 5）線光譜：）線光譜：光譜集中在一些分立的波長區(qū)光譜集中在一些分立的波長區(qū)間的間的 線狀譜線，就叫線光譜。線狀譜線，就叫線光譜。譜線寬度：每條線光譜在其半強(qiáng)度值處的波長間隔譜線寬度：每條線光譜在其半強(qiáng)度值處的波長間隔 稱為譜線寬度。越小表示光波的單色性越好稱為譜線寬度。越小表示光波的單色性越好 連續(xù)光譜連續(xù)光譜 線光譜線光譜 ddIddI1231.31.3光學(xué)的研究對(duì)象光學(xué)的研究對(duì)象、分支與應(yīng)用分支與應(yīng)用 光學(xué)是研究光的傳播以及它和物質(zhì)相互作用問題的學(xué)科光學(xué)是研究光的傳播以及它和物質(zhì)相互作用問題的學(xué)科 幾何光學(xué)：幾何光學(xué)： （尺度

11、相對(duì)光的波長大得多，從而其波動(dòng)效應(yīng)不明顯）（尺度相對(duì)光的波長大得多，從而其波動(dòng)效應(yīng)不明顯） 波動(dòng)光學(xué)：波動(dòng)光學(xué)： 研究光的波動(dòng)性的學(xué)科（干涉、衍射、偏振）研究光的波動(dòng)性的學(xué)科（干涉、衍射、偏振） 量子光學(xué)：量子光學(xué)： 研究光和物質(zhì)相互作用的問題（分子、原子尺度）研究光和物質(zhì)相互作用的問題（分子、原子尺度） 近代光學(xué)近代光學(xué): 激光、全息、傅利葉和非線性光學(xué)激光、全息、傅利葉和非線性光學(xué) 從光的直進(jìn)、反射、折射等基本實(shí)驗(yàn)定律出發(fā)，研究成像等光的傳播問題從光的直進(jìn)、反射、折射等基本實(shí)驗(yàn)定律出發(fā)，研究成像等光的傳播問題2 2光的幾何光學(xué)傳播規(guī)律光的幾何光學(xué)傳播規(guī)律幾何光學(xué)基本定律幾何光學(xué)基本定律1.

12、1 1.1 幾何光學(xué)三定律幾何光學(xué)三定律1.2 1.2 全反射定律全反射定律 1.3 1.3 棱鏡與色散棱鏡與色散1.4 1.4 光的可逆性原理光的可逆性原理光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。2.1 幾何光學(xué)三定律幾何光學(xué)三定律（1）光的直線傳播定律：）光的直線傳播定律：例：物體的影子例：物體的影子, , 針孔成像針孔成像例：海市蜃樓例：海市蜃樓(mirage)(mirage)海市蜃樓(mirage)是一種折光現(xiàn)象，由于靠近表面豎直方向上空氣密度的劇烈變化，使得一些遠(yuǎn)處的物體在一定區(qū)域形成圖像以代替其真實(shí)位置。這些圖像是扭曲的，倒轉(zhuǎn)的或是搖擺的?？諝饷芏扰c氣壓、溫度和水蒸氣含

13、量密切相關(guān)。 11p(pressure) ()T (temperature) vap (water vapour content)air下蜃景(Inferior mirages) 出現(xiàn)在真實(shí)物體的下方；上蜃景(Superior mirages)出現(xiàn)在真實(shí)物體的上方。 （2）光的反射和折射定律）光的反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內(nèi)反射線與折射線都在入射面內(nèi)11ii 注注意意：1） 稱稱為為媒媒質(zhì)質(zhì)的的絕絕對(duì)對(duì)折折射射率率 2）折折射射率率較較大大的的媒媒質(zhì)質(zhì)稱稱為為光光密密媒媒質(zhì)，質(zhì)， 折折射射率率較較小小的的媒媒質(zhì)質(zhì)稱稱為為光光疏疏媒媒質(zhì)質(zhì) 3）適適用用條條件件：反反射射和和折折射射面

14、面積積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大大 于于光光波波長長時(shí)時(shí)上上述述定定律律才才成成立立 2211sinsininin1122sinsinnini斯涅爾定律（W.Snell） 介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關(guān)，而且與光的波長有關(guān)。在同一種介質(zhì)中，長波折射率小，短波的折射率大。QQ1iMO2iyxy(4/3)n n112sinsinnii1tanxyi2tanxyi22111222111sintansin costansincoscosyniiiiyyyiiini1iyQ(0)i 2( )O i2sin0i cos1i yynyiQ13 4n 例2 用作圖法求任意入射線在球面上的折射線證：（1）正弦定律于HCM,sinsi

15、nsinsinCHCMrii即sin sininn（2）三角形相似， HCM和MCHi n sinin sini當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角；當(dāng)入射角增大到某一臨界值時(shí)，折射光線消失，光線全部反射，此現(xiàn)象叫全反射。2.2 全反射定律全反射定律全反射臨界角：全反射臨界角：)/(sin121nnic 的空氣對(duì)于 的玻璃，臨界角 21n 11.5n 42ci ACB45全反射的應(yīng)用-全反射棱鏡利用全反射棱鏡改變光線方向，比用一般的平面鏡，能量損失要小得多。參見P15圖1-7全反射的應(yīng)用-光學(xué)纖維（1 1）棱鏡：由透明媒質(zhì)做成的棱鏡體）棱鏡：由透明媒質(zhì)做成的棱鏡體稱為棱鏡稱為棱鏡（

16、2 2）三棱鏡：截面呈三角形的棱鏡叫）三棱鏡：截面呈三角形的棱鏡叫三棱鏡三棱鏡（3 3）主截面：與棱邊垂直的平面叫做）主截面：與棱邊垂直的平面叫做棱鏡的主截面棱鏡的主截面（4 4）偏向角）偏向角2.3 棱鏡與色散棱鏡與色散2i折射率折射率 )()()()(22112121iiiiiiii22ii 求其最小值：求其最小值： 01did0212did令令 ，且有，且有 BC G2i1i1inD EFA m最小偏向角最小偏向角 的推導(dǎo)的推導(dǎo)11ii,11ii 22ii 可以得到：當(dāng)可以得到：當(dāng) 時(shí)時(shí)m此時(shí)有：此時(shí)有： 21mi2/2i帶入折射定律：帶入折射定律： 1221/sin/sinnnii2s

17、in2sin12mnn有：有： 時(shí)，時(shí)， nnn211，2sin2sinmn色散色散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(shí)，它將逆著同一當(dāng)光線的方向反轉(zhuǎn)時(shí)，它將逆著同一路徑傳播，稱為光的可逆性原理。路徑傳播，稱為光的可逆性原理。思考題思考題習(xí)題：習(xí)題：1-41-4， 1-51-5， 1-101-10，1-111-11，1-141-14波面波面 波線波線 3.1 3.1 波的幾何描述波的幾何描述波動(dòng)：波動(dòng)：擾動(dòng)在空間的傳播擾動(dòng)在空間的傳播波面：波面： （1 1）在同一振源的波場中）在同一振源的波場中 （2 2）擾動(dòng)同時(shí)到達(dá)的各點(diǎn)具有相同的位相）擾動(dòng)同時(shí)到達(dá)的各點(diǎn)具有相同的位相 滿足

18、上述條件的振動(dòng)軌跡稱為波面或波振面。滿足上述條件的振動(dòng)軌跡稱為波面或波振面。 球面波：球面波： 平面波：平面波： 波線：波線： 波面與波線波面與波線 球面波球面波 平面波平面波 惠更斯原理惠更斯原理波源波源.t t 波面波面u t3.2 3.2 惠更斯原理的表述惠更斯原理的表述S S上的每一面元可以認(rèn)上的每一面元可以認(rèn)為是次波的波源，為是次波的波源，原理的優(yōu)點(diǎn)：原理的優(yōu)點(diǎn)： 提出了次波概念提出了次波概念原理的不足：原理的不足： 給不出新波面的強(qiáng)度分布給不出新波面的強(qiáng)度分布 沒有說明子波不向后傳播的問題沒有說明子波不向后傳播的問題3.3 3.3 惠更斯原理對(duì)反射、惠更斯原理對(duì)反射、 折射定律的解釋折射定律的解釋 1vnnA Bt 11212112sinvsinvnnA BiniAD1vc2vvvcn 11221221sinvsinvinnin2211sinsininin如圖所示如圖所示 有：有： 設(shè)設(shè) ，則有：則有： 即：即： 用惠更斯原理解釋用惠更斯原理解釋反射定律和折射定律反射定律和折射定律3.33.3惠更斯原理對(duì)直線傳播問惠更斯原理對(duì)直線傳播問題的解釋題的解釋 幾何光學(xué)的適用范圍：幾何光學(xué)的適用范圍：波長波長遠(yuǎn)小于空隙線度遠(yuǎn)小于空隙線度a4.1 4