大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1-緒論

光學(xué)

任課教師：邵鳳蘭光學(xué)1

學(xué)好光學(xué)課的重要意義當(dāng)今科研前沿的熱門學(xué)科光學(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)光纖光學(xué)，集成光學(xué)，光譜學(xué)，光子開關(guān)術(shù)全息光存儲技術(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)，光電信號檢測技術(shù)等學(xué)好光學(xué)課的重要意義當(dāng)今科研前沿的熱門學(xué)科2

光學(xué)課的特點(diǎn)

內(nèi)容新：中學(xué)學(xué)得不多，光學(xué)發(fā)展很快，新內(nèi)容不斷涌現(xiàn)分支多：幾何光學(xué)，干涉，衍射，偏振，光與物質(zhì)的相互作用公式多：大約有近200個公式課程編排特點(diǎn)：

重點(diǎn)是物理光學(xué)部分(干涉，衍射，偏振)

光學(xué)課的特點(diǎn)內(nèi)容新：中學(xué)學(xué)得不多，光學(xué)發(fā)展很快3

如何學(xué)好光學(xué)課程

課前預(yù)習(xí)按時聽課及時復(fù)習(xí)獨(dú)立完成作業(yè)要主動答疑如何學(xué)好光學(xué)課程課前預(yù)習(xí)4參考書

參考書a.光學(xué)教程姚啟鈞b.新概念物理教程《光學(xué)》趙凱華c.光學(xué)趙凱華、鐘錫華d.光學(xué)母國光e.光學(xué)吳強(qiáng)參考書參考書a.光學(xué)教程姚啟鈞b.新概5

課程安排

a. 期中測驗(yàn)20%b. 習(xí)題10%c. 期末考試70%d.常規(guī)答疑兩周一次課程安排a. 期中測驗(yàn)20%b. 習(xí)6

緒論一、光學(xué)發(fā)展的概況

人類感官接收到外部世界的總信息量中至少有90％以上通過眼睛光學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門新興的年青學(xué)科激光器誕生后，光學(xué)開始了迅猛發(fā)展，成為科研前沿極為活躍的學(xué)科緒論一、光學(xué)發(fā)展的概況7

五個時期一、萌芽時期

公元前500年~公元1500年經(jīng)歷大約2000年面鏡、眼鏡和幻燈等光學(xué)元件已相繼出現(xiàn)五個時期8二、幾何光學(xué)時期

1500~1800，大約300年1、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)2、研制出了望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等光學(xué)儀器3、牛頓為代表的微粒說占據(jù)了統(tǒng)治地位4、對折射定律的解釋是錯誤的二、幾何光學(xué)時期1、建立了光的反射定律和折射定律，9上式與折射定律比較，有亦即：光在光密媒質(zhì)中的速度較大上式與折射定律10三、波動光學(xué)時期

1800~1900，近100年1、楊氏利用實(shí)驗(yàn)成功地解釋了光的干涉現(xiàn)象2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解釋了光的衍射現(xiàn)象3、菲涅耳公式成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象4、麥克斯韋的電磁理論證明光是電磁波5、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6、波動光學(xué)的理論體系已經(jīng)形成，光的波動說戰(zhàn)勝了光的微粒說三、波動光學(xué)時期11四、量子光學(xué)時期

1900~1950，近50年1、1900年普朗克提出了量子假說，成功地解釋了黑體輻射問題2、愛因斯坦提出了光子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)問題3、光的某些行為象經(jīng)典的“波動”4、另一些行為卻象經(jīng)典的“粒子”四、量子光學(xué)時期12光的兩種互補(bǔ)性質(zhì)：傳播過程中顯示波動性與其他物質(zhì)相互作用時顯示粒子性光具有波粒二象性光的本性光的兩種互補(bǔ)性質(zhì)：傳播過程中顯示波動性與其他物質(zhì)相互作用時顯13五、現(xiàn)代光學(xué)時期

從1950年至今

1、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2、光學(xué)煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度飛速發(fā)展1）智能光學(xué)儀器2）全息術(shù)3）光纖通信4）光計(jì)算機(jī)5）激光光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法五、現(xiàn)代光學(xué)時期

從1950年至今14

二、光強(qiáng)1）可見光的波長范圍：其中：頻率：真空中的光速：對應(yīng)的頻率范圍：

二、光強(qiáng)1）可見光的波長范圍：152）光強(qiáng)：通過單位面積的平均光功率，或者說，光的平均能流密度3）光強(qiáng)表達(dá)式：，

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2）光強(qiáng)：通過單位面積的平均光功率，16在光頻波段

故大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1-緒論17

真空中電磁波的波動方程：可得：在不同媒質(zhì)中有：在相同介質(zhì)中有：真空中電磁波的波動方程：184）相對光強(qiáng)：

注意：光強(qiáng)是一個平均值4）相對光強(qiáng)：195）光強(qiáng)定義為一個平均值的原因響應(yīng)時間：能夠被感知或被記錄所需的最短時間人眼的響應(yīng)時間：

最好的儀器的響應(yīng)時間大約：

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有實(shí)際意義的是光波的平均能流5）光強(qiáng)定義為一個平均值的原因響應(yīng)時間：能夠被感知或被記錄所20三、光譜1）單色光：僅有單一波長的光叫單色光，否則是非單色光。2）譜密度：

3）光譜：譜密度隨波長變化的分布曲線

4）連續(xù)光譜：光譜隨波長的變化分布連續(xù)叫做連續(xù)光譜三、光譜1）單色光：僅有單一波長的光叫單色光，否則是非215）線光譜：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。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連續(xù)光譜線光譜5）線光譜：光譜集中在一些分立的波長區(qū)間的線狀譜線，就叫線22光學(xué)的研究對象、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

幾何光學(xué)：

（尺度相對光的波長大得多，從而其波動效應(yīng)不明顯）

波動光學(xué)：

研究光的波動性的學(xué)科（干涉、衍射、偏振）

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）

近代光學(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光學(xué)的研究對象、分支與應(yīng)用光學(xué)是研究光的傳播以及它和物質(zhì)相23

第一章幾何光學(xué)§1幾何光學(xué)基本定律1.1幾何光學(xué)三定律1.2全反射定律1.3棱鏡與色散1.4光的可逆性原理第一章幾何光學(xué)§1幾何光學(xué)基本定律24光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。1.1幾何光學(xué)三定律（1）光的直線傳播定律：例：物體的影子,針孔成像例：海市蜃樓(mirage)光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。1.1幾何光學(xué)三定律（1）光的直25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、溫度和水蒸氣含量密切相關(guān)。海市蜃樓(mirage)是一種折光現(xiàn)象，由于靠近表面豎直方向26下蜃景(Inferiormirages)出現(xiàn)在真實(shí)物體的下方；下蜃景(Inferiormirages)出現(xiàn)在真實(shí)物體的27上蜃景(Superiormirages)出現(xiàn)在真實(shí)物體的上方。

上蜃景(Superiormirages)出現(xiàn)在真實(shí)物體的上28大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1-緒論29大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1-緒論30（2）光的反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內(nèi)注意：1）稱為媒質(zhì)的絕對折射率2）折射率較大的媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，折射率較小的媒質(zhì)稱為光疏媒質(zhì)3）適用條件：反射和折射面積遠(yuǎn)大于光波長時上述定律才成立（2）光的反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內(nèi)注意：1）31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。斯涅爾定律（W.Snell）介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關(guān)32水空氣解:水相對于空氣的折射率為根據(jù)折射定律，有[例題1]

在水中深度為y處有一發(fā)光點(diǎn)Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射線的延長線與QO交點(diǎn)的深度與入射角的關(guān)系水空氣解:水相對于空氣的折射率為根據(jù)折射定律，有[例題1]33上式表明，由Q點(diǎn)發(fā)出的不同方向光線，折射后的延長線不再交于同一點(diǎn)。但對于那些接近法線方向的光線若忽略的高階小量，則這時與入射角無關(guān)，即折射線的延長線近似地交與同一點(diǎn)，其深度為原發(fā)光點(diǎn)深度的上式表明，由Q點(diǎn)發(fā)出的不同方向光線，折射后的延長線不再交于同34例2用作圖法求任意入射線在球面上的折射線例2用作圖法求任意入射線在球面上的折射線35證：（1）正弦定律于△HCM（2）三角形相似，△HCM和△MCH’證：（1）正弦定律于△HCM（2）三角形相似，△HCM和△36當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時，折射角大于入射角；當(dāng)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。1.2全反射定律當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時，折射角大于入射角；當(dāng)入射角增37全反射臨界角：

的空氣對于的玻璃，臨界角

42ci=o全反射臨界角：的空氣對于的玻璃，臨38ACB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1-7ACB全反射的應(yīng)用----全反射棱鏡利用全反射棱鏡改變光線方39全反射的應(yīng)用----光學(xué)纖維全反射的應(yīng)用----光學(xué)纖維40（1）棱鏡：由透明媒質(zhì)做成的棱鏡體稱為棱鏡（2）三棱鏡：截面呈三角形的棱鏡叫三棱鏡（3）主截面：與棱邊垂直的平面叫做棱鏡的主截面（4）偏向角1.3棱鏡與色散（1）棱鏡：由透明媒質(zhì)做成的棱鏡體稱為棱鏡1.3棱鏡與色散41折射率求其最小值：

令，且有BC

GD

EFA

最小偏向角的推導(dǎo)折射率求其最小值：令，且有BCGDEFA最小偏42可以得到：當(dāng)時此時有：

帶入折射定律：

有：

時，

可以得到：當(dāng)時此時有：帶入折射定律：有：時，43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