opt1光的傳播

1、Questions:n這兩個光源的顏色（=？） n實驗觀測時，下面兩種情況的不同：只有一個光源照明；兩個光源同時照明。n兩個光源同時照明時，兩個光源之間互相影響嗎？n光源發(fā)出的光是如何傳播的？n在下面三種情況下，觀察者看到的光源有什么相同和不同：在觀察者和光源之間放置【0個；1個；2個】透明晶體片，已知每個晶體片本身不吸收光。 一、光學發(fā)展的概況一、光學發(fā)展的概況 人類感官接收到外部世界的總信人類感官接收到外部世界的總信息量中至少有息量中至少有9090以上通過眼睛以上通過眼睛. . 光學是一門古老的學科，又是一門光學是一門古老的學科，又是一門新興的年青學科新興的年青學科. . 激光器誕生后，光

2、學開始了迅猛發(fā)激光器誕生后，光學開始了迅猛發(fā)展，成為科研前沿極為活躍的學科展，成為科研前沿極為活躍的學科. . 光學發(fā)展的五個時期光學發(fā)展的五個時期一、萌芽時期一、萌芽時期 公元前公元前500500年公元年公元15001500年年 經(jīng)歷大約經(jīng)歷大約20002000年年 面鏡、眼鏡和幻燈等光學元件面鏡、眼鏡和幻燈等光學元件 已相繼出現(xiàn)已相繼出現(xiàn)二、幾何光學時期二、幾何光學時期 15001 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， 奠定了幾何光學的基礎奠定了幾何光學的基礎2 2、研制出了望遠鏡和顯微鏡等光學儀、研制出了望遠鏡和顯微鏡等光學儀器器3 3、牛頓為代表的微粒說占

3、據(jù)了統(tǒng)治地、牛頓為代表的微粒說占據(jù)了統(tǒng)治地位位4 4、對折射定律的解釋是、對折射定律的解釋是錯誤錯誤的的上式與折射定律上式與折射定律 比較，有比較，有亦即：光在光密媒質中的速度較大亦即：光在光密媒質中的速度較大21vvnn111222vv sinvv sinttii1221sin/sinv /vii 1221/sin/sinnnii2121v /v/nn1vt1vn1v1i2i2v2vn2vt21nn三、波動光學時期三、波動光學時期 18001 1、楊氏利用實驗成功解釋了光的干涉現(xiàn)象、楊氏利用實驗成功解釋了光的干涉現(xiàn)象2 2、惠更斯菲涅耳原理成功解釋了光的衍射、惠更斯菲涅耳原理成功解釋了光的衍

4、射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、傅科的實驗證實光在水中傳播的速度小于在、傅科的實驗證實光在水中傳播的速度小于在空氣中的傳播速度空氣中的傳播速度6 6、波動光學的理論體系已經(jīng)形成，光的波動說、波動光學的理論體系已經(jīng)形成，光的波動說戰(zhàn)勝了光的微粒說戰(zhàn)勝了光的微粒說四、量子光學時期四、量子光學時期 19001 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、

5、愛因斯坦提出了光子假說，成功地解釋了 光電效應問題光電效應問題3 3、光的某些行為象經(jīng)典的、光的某些行為象經(jīng)典的“波動波動”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”光的兩種互補性質：光的兩種互補性質：傳播過程中顯示波動性傳播過程中顯示波動性與其他物質相互作用時顯示粒子性與其他物質相互作用時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)代光學時期五、現(xiàn)代光學時期 1 1、全息術、光學傳遞函數(shù)和激光的問世、全息術、光學傳遞函數(shù)和激光的問世 是經(jīng)典光學向現(xiàn)代光學過渡的標志是經(jīng)典光學向現(xiàn)代光學過渡的標志2 2、光學煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度、光學煥發(fā)了青春，

6、以空前的規(guī)模和速度 飛速發(fā)展飛速發(fā)展 1 1）智能光學儀器）智能光學儀器 2 2）全息術）全息術 3 3）光纖通信）光纖通信 4 4）光計算機）光計算機 5 5）激光光譜學的實驗方法）激光光譜學的實驗方法 二、二、 光光 強強 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： 對應的頻率范圍：對應的頻率范圍： cm8101/csmc/1038Hz14109 . 35 . 7n電磁波（包括光波），只要光子能量不變，其光波頻率就不變。E=h，E是光子能量，h是普朗克常數(shù)，是光波頻率。n在不同介質里頻率不變，但是波速要變，所以波長

7、肯定變，波長變了光的顏色應該要變吧？ 光的顏色由頻率確定，光的顏色由頻率確定，而頻率是光源的性質，與光通過的介質沒有關系。波長改變，是與光速改變相適應的，與頻率沒有關系！ 2 2）光強：）光強：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）光強表達式：光強表達式： ， 分別是相對介電常數(shù)和相對磁率分別是相對介電常數(shù)和相對磁率 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/ 00/1c/nc20200EcnnES 真空中電磁波的波動方程： 可得：在

8、不同媒質中有：在相同介質中有： 0cos()EEt2222001cos ()(1cos(2()2EEtEt2220000011cos ()TTnnISE dtEt dtTcTc2200000(1 cos(2()22TnnIEtdtEcTc2022201121EnEnII20nEI 4 4）相對光強：）相對光強： 注意：注意： 光強是一個平均值光強是一個平均值20EI 2002nISEc5 5）光強定義為一個平均值的原因）光強定義為一個平均值的原因響應時間：能夠被感知或被記錄所需的最短時間響應時間：能夠被感知或被記錄所需的最短時間人眼的響應時間：人眼的響應時間： 最好的儀器的響應時間大約：最好的

9、儀器的響應時間大約： 光波的振動周期：光波的振動周期： 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際意義的是光波的平均能流有實際意義的是光波的平均能流 st1 . 0s910sT1510Tt三、光三、光 譜譜1 1）單色光：）單色光：僅有單一波長的光叫單色光，僅有單一波長的光叫單色光， 否則是非單色光。否則是非單色光。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)叫做 連續(xù)光譜連續(xù)光譜. . ddIddIi)(00)(

10、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) 間的線狀譜線，就叫線光譜。間的線狀譜線，就叫線光譜。譜線寬度：每條線光譜在其半強度值處的波長間隔譜線寬度：每條線光譜在其半強度值處的波長間隔 稱為譜線寬度稱為譜線寬度, , 越小表示光波的單色性越好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 ddIddI123光學的研究對象光學的研究對象、分支與應用分支與應用 光學是研究光的傳播以及它和物質相互作用問題的學科光學是研究光的傳播以及它和物質相互作用問題的學科 幾何光學：幾何光學： （尺度相對光的波長大得多，從而其波動效應不明顯）（尺度相對

11、光的波長大得多，從而其波動效應不明顯） 波動光學：波動光學： 研究光的波動性的學科（干涉、衍射、偏振）研究光的波動性的學科（干涉、衍射、偏振） 量子光學：量子光學： 研究光和物質相互作用的問題（分子、原子尺度）研究光和物質相互作用的問題（分子、原子尺度） 近代光學近代光學: 激光全息傅利葉和非線性光學激光全息傅利葉和非線性光學 從光的直進、反射、折射等基本實驗定律出發(fā)，研究成像從光的直進、反射、折射等基本實驗定律出發(fā)，研究成像等光的傳播問題等光的傳播問題 2 2 幾何光學基本定律幾何光學基本定律 1.1 1.1 幾何光學三定律幾何光學三定律 1.2 1.2 全反射定律全反射定律 1.3 1.3

12、 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里沿直線傳播。光在均勻媒質里沿直線傳播。2.1 幾何光學三定律幾何光學三定律（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，使得一些遠處的物體在一定區(qū)域形成圖像以代替其真實位置。這些圖像是扭曲的，倒轉的或是搖擺的?？諝饷芏扰c氣壓、溫度和水蒸氣含量密切相關。 11p(pressure) ()T (temperature) vap (w

13、ater vapour content)air下蜃景(Inferior mirages)出現(xiàn)在真實物體的下方；上蜃景(Superior mirages)出現(xiàn)在真實物體的上方。 （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反射線與折射線都在入射面內11ii 注意注意： 1） n1和和n2稱為媒質的絕對折射率稱為媒質的絕對折射率. 2）折射率較大的媒質稱為光密媒質，）折射率較大的媒質稱為光密媒質， 折射率較小的媒質稱為光疏媒質折射率較小的媒質稱為光疏媒質. 3）適用條件：反射和折射面積遠大）適用條件：反射和折射面積遠大 于光波長時上述定律才成立于光波長時上述定律才成立.2

14、1nn；2211sinsininin1122sinsinnini斯涅爾定律（W. Snell） 介質折射率不僅與介質種類有關，而且與光的波長有關。在同一種介質中，長波折射率小，短波的折射率大。QQ1iMO2iyxyn112sinsinnii1tanxyi2tanxyi22111222111sintansin costansincoscosyniiiiyyyiiini1iyQ)34( n(0)i2( )O i2sin0icos1iyynyiQ13 4n0i0sin2i1cosi431n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,sinsinsinsinCHCMrii

15、即sin sininn（2）三角形相似， HCM和MCHi n sinin sini 當光線從光密媒質射向光疏媒質時，折射角大于入射角；當入射角增大到某一臨界值時，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 的空氣對于 的玻璃，臨界角 21n 11.5n 42ci ACB45全反射的應用-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。全反射的應用光學纖維（1 1）棱鏡：由透明媒質做成的棱鏡體）棱鏡：由透明媒質做成的棱鏡體 稱為棱鏡稱為棱鏡（2 2）三棱鏡：截面呈三角形的棱鏡叫）三棱鏡

16、：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 的推導的推導11ii,11ii 22ii 可以得到：當可以得到：當 時時m此時有：此時有： 21mi2/2i帶入折射定律：帶入折射定律： 1221/sin/sinnnii2sin2sin12mnn有：有： 時，時

17、， nnn211，2sin2sinmn色散色散光的可逆性原理光的可逆性原理: :當光線的方向反轉時，它將逆著同一當光線的方向反轉時，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。波面波面 波線波線 2.1 2.1 波的幾何描述波的幾何描述波動：波動：擾動在空間的傳播擾動在空間的傳播波面：波面： （1 1）在同一振源的波場中）在同一振源的波場中 （2 2）振動同時到達的各點具有相同的位相）振動同時到達的各點具有相同的位相 滿足上述條件的振動軌跡稱為波面或波振面。滿足上述條件的振動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

18、線 球面波球面波 平面波平面波 3.2 3.2 惠更斯原理的表述惠更斯原理的表述在在t t時刻由振源發(fā)出的波擾動時刻由振源發(fā)出的波擾動傳到了波面?zhèn)鞯搅瞬鍿 S，惠更斯提出，惠更斯提出，S S上的每一面元可以認為是上的每一面元可以認為是次波的波源，次波的波源，惠更斯原理惠更斯原理原理的優(yōu)點：原理的優(yōu)點： 提出了次波概念提出了次波概念原理的不足：原理的不足： 給不出新波面的強度分布給不出新波面的強度分布惠更斯原理惠更斯原理3.3 3.3 惠更斯原理對反射、惠更斯原理對反射、 折射定律的解釋折射定律的解釋 1vnnA Bt 11212112sinvsinvnnA BiniAD1vc2vvvcn 1

19、1221221sinvsinvinnin2211sinsininin如圖所示如圖所示 有：有： 設設 ，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3.4 3.4 惠更斯原理對直線傳播問題的解釋惠更斯原理對直線傳播問題的解釋 課后閱讀教材。課后閱讀教材。4.1 4.1 光程定義：光程定義：如圖，在均勻媒質中有：如圖，在均勻媒質中有： 在在mm種不同的媒質中有：種不同的媒質中有： 在折射率連續(xù)變化的媒質中：在折射率連續(xù)變化的媒質中： lnQP)(miiilnQP1)(PQndlQP)(2n1n3n媒質媒質1 1 媒質媒質2 2 媒質媒質3 3QMN

20、P1l2l3l4.24.2 光在媒質中走過的光程等于光在媒質中走過的光程等于在真空中走過的幾何路程在真空中走過的幾何路程 證明：證明：0vlltc vcn ， nll 0就有就有 4.3 4.3 光程相同含有的波數(shù)相同：光程相同含有的波數(shù)相同： 21NN 波數(shù)定義：波數(shù)定義： 已知：已知： 求證：求證： 證明：證明：lN 2211lnln,111lN ,222lN 00vcn21NN 1n2n1N2N1l2l已知有：已知有： 就有：就有： 這個命題的物理意義：這個命題的物理意義：可以通過比較光程比較兩個波動的狀態(tài)差異?？梢酝ㄟ^比較光程比較兩個波動的狀態(tài)差異。21NN ,011111lnlN02

21、2222lnlN2211lnln4.4 4.4 位相差與光程差成正比位相差與光程差成正比 QQ點的振動方程：點的振動方程： P P點的振動方程就是：點的振動方程就是： 00cos()QEEt00cos()PEEt0222vlnlnlc其中其中定義波矢：定義波矢： 設其方向沿波動的傳播方向設其方向沿波動的傳播方向0002kkkkQQP P光程：光程： 則有：則有： 其物理意義：其物理意義：可以通過比較兩個振動的光程來考察可以通過比較兩個振動的光程來考察兩個振動的步調差異。兩個振動的步調差異。nlL 000cos,PEEk Lt0( )( )( )PQk LL位相差：位相差： 在真空中波長為 的單

22、色光，在折射率為 n 的透明介質中從 P 沿某路徑傳到 Q，若 P、Q 兩 點位相差為 5，則路徑 PQ 的光程為: (1) 5 (2) 5n (3) 2.5 (4) 2.5n (5) 無法判斷5 . 1光在指定的兩點間傳播，實際的光在指定的兩點間傳播，實際的光程光程總是一總是一個極值（最小值、最大值或恒定值）。個極值（最小值、最大值或恒定值）。FermatFermat原理是幾何光學的基本原理，幾何光學中的三個重原理是幾何光學的基本原理，幾何光學中的三個重要定律要定律直線傳播定律，反射定律和折射定律直線傳播定律，反射定律和折射定律都能都能從從FermatFermat原理導出。原理導出。4.5

23、4.5 費馬原理的表述費馬原理的表述PQndlQP0)(P,Q(P,Q是二固定點是二固定點) )考慮由Q發(fā)出，經(jīng)反射面到達P的光線。相對于反射面取P的對稱點P,從Q到P任意可能路徑QMP的長度與QMP的長度相等。顯然，直線QMP是其中最短的一根，從而路徑QMP的長度最短。根據(jù)費馬原理，QMP是光線的實際路徑。由對稱性分析不難看出，iiiQPPMM1n2n4.6 4.6 由費馬原理推導幾何光學三定律由費馬原理推導幾何光學三定律 ii1 1）光度學和輻射度學）光度學和輻射度學光度學：研究光的強弱的學科光度學：研究光的強弱的學科輻射度學：研究各種電磁輻射強弱的學科輻射度學：研究各種電磁輻射強弱的學科

24、2 2）輻射能通量（輻射功率）和輻射）輻射能通量（輻射功率）和輻射 能通量的譜密度能通量的譜密度單位時間內光源發(fā)出或通過一定接收截面單位時間內光源發(fā)出或通過一定接收截面的輻射能的輻射能 單位：瓦單位：瓦 輻射能通量的譜密度：輻射能通量的譜密度： dd)(d0)(輻射能通量輻射能通量 的定義：的定義：3) 3) 視見函數(shù)視見函數(shù)定義：定義： 5550( )VV=1 實驗表明：實驗表明： 要引起與要引起與1mw1mw的的5550A5550A的綠光相同亮暗感覺的的綠光相同亮暗感覺的 4000A4000A紫光需要紫光需要2.5w.2.5w.0004. 05 . 2103WWV時，時， 05550A，

25、04000A在在4000A7600A范圍以外，范圍以外，V實際上已趨于實際上已趨于04) 4) 適光性和適暗性視見函數(shù)適光性和適暗性視見函數(shù) 由于眼睛里的圓錐和圓柱視神經(jīng)細胞由于眼睛里的圓錐和圓柱視神經(jīng)細胞 在分別起作用，形成了在分別起作用，形成了適光性適光性和和適暗性適暗性 視見函數(shù)。視見函數(shù)。在昏暗的環(huán)境中，視見函數(shù)在昏暗的環(huán)境中，視見函數(shù)的極大值朝短波方向移動。的極大值朝短波方向移動。所以在月光朦朧的夜晚，總所以在月光朦朧的夜晚，總感到周圍的一切籠罩了一層感到周圍的一切籠罩了一層藍綠的色彩。藍綠的色彩。5) 光通量光通量定義：定義： 光源發(fā)出的輻射能通量通過視見函光源發(fā)出的輻射能通量通過

26、視見函數(shù)的權重因子折合成對人眼起作用數(shù)的權重因子折合成對人眼起作用的有效視覺強度稱為光通量。的有效視覺強度稱為光通量。單位：單位：流明，流明， 記作：記作： lm有：有： )(V或者：或者： dVKdm)()(dVKm)()(最大光功當量，最大光功當量， WlmKm/6836) 6) 發(fā)光強度和輻射強度發(fā)光強度和輻射強度（1）點光源和面光源：）點光源和面光源：（2）發(fā)光強度）發(fā)光強度 I ：單位立體角內發(fā)出的光通量：單位立體角內發(fā)出的光通量ddI， 單位：坎德拉， srlmcd111其中 2RdSd， 點光源點光源dr（3）注意：）注意：（a）發(fā)光強度的符號與光強的符號雖然相同， 但與光強不是

27、一個概念。（b）發(fā)光強度與方向有關，方向不同 發(fā)光強度不同。（4）輻射強度：單位立體角內發(fā)出的輻射通量）輻射強度：單位立體角內發(fā)出的輻射通量ddI， 其中 2RdSd， srWsrW11/1單位： srW /， 7 7） 光亮度和輻射亮度光亮度和輻射亮度（1）光亮度：面元）光亮度：面元ds沿沿 r方向的光度學亮度方向的光度學亮度B定義為在此方向上單位投影面積的發(fā)光強度定義為在此方向上單位投影面積的發(fā)光強度coscos*dSdddSdIdSdIB單位： 或 )/(2srmlm)/(2srcmlm擴展光源擴展光源 法線法線ndSdSdr（2）輻射亮度：）輻射亮度：coscos*dSdddSdIdSdIB單位：單位： )/(2srmW， )/(2srcmW（3）注意：）注意： 人眼睛感知的是光源的亮度大小，不是發(fā)光強度的強弱。 8 8）余弦輻射體和朗伯定律）余弦輻射體和朗伯定律（1 1）余弦（朗伯）發(fā)射體）余弦（朗伯）發(fā)射體朗伯定律：朗伯定律： cos0dIdI 余弦發(fā)射體沒有立體感，感到各處余弦發(fā)射