物理光學(xué)基礎(chǔ)知識省名師優(yōu)質(zhì)課獲獎?wù)n件市賽課一等獎?wù)n件

十五章

光學(xué)基礎(chǔ)知識關(guān)鍵：熟練掌握光程差以及相位差第1頁115.1光學(xué)發(fā)展歷程和學(xué)科分支（一）光學(xué)發(fā)展歷史牛頓—光光微粒流理論

惠更斯—光波動理論

麥克斯韋—光電磁理論20世紀(jì)初—光波粒二象性

第2頁2（二）光學(xué)學(xué)科分支

幾何光學(xué)：以光直線傳輸為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中折射、反射和傳輸規(guī)律，它得出結(jié)果通?？偸遣▌庸鈱W(xué)在一些條件下近似或極限

波動光學(xué)：以光波動性為基礎(chǔ)，研究光干涉、光衍射、光偏振等波動性質(zhì)，也稱為波動光學(xué)．其基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動力學(xué)麥克斯韋方程組

量子光學(xué)：以光量子性為基礎(chǔ)，深入到微觀世界，研究光和物質(zhì)相互作用規(guī)律．其基礎(chǔ)主要是量子力學(xué)和量子電動力學(xué)．波動光學(xué)和量子光學(xué)也統(tǒng)稱為物理光學(xué)．當(dāng)代光學(xué)：伴隨光量子性發(fā)覺和激光創(chuàng)造，而產(chǎn)生新興領(lǐng)域．包含非線性光學(xué)、信息光學(xué)、纖維光學(xué)、統(tǒng)計光學(xué)、付里葉光學(xué)、激光光學(xué)等等．第3頁315.2光源光基本性質(zhì)（一）光源定義：產(chǎn)生光波波源稱為光源

發(fā)光機制

普通光源：自發(fā)輻射

激光：受激輻射第4頁4（二）光特征

波前與光線

光是電磁波，有波特征，但同時光又含有粒子特征

波前：光波從光源傳出去，離光源愈來愈遠(yuǎn)，它最前緣就為波前.波前是波在任一時刻相位相同點連成軌跡

光線：人們常以垂直于波前、且指向光傳輸方向直線稱為光線．

第5頁5（三）惠更斯原理

在光波傳輸時，某一時刻波前上每一點都能夠看作產(chǎn)生球面次級子波波源，經(jīng)過一段時間新波前就是這些次級子波包絡(luò)面.如圖為球面波傳輸與平面波傳輸.第6頁6（四）光波描述

主要參數(shù)

光是電磁波，在空間傳輸是相互垂直電場強度E矢量（電矢量）和磁場強度H矢量.引發(fā)視覺作用和感光作用主要是電矢量E，因而把E矢量稱為光矢量，把E振動稱為光振動.第7頁7（四）光波描述

主要參數(shù)光波場表示：討論最簡單平面簡諧光波。它在空間傳輸形成光波場運動學(xué)描述為

為S波源出所發(fā)出波圓頻率。與光頻率n

關(guān)系

0為初相位。波長

和頻率，周期T之間滿足第8頁8（四）光波描述

主要參數(shù)光速：u為光波在介質(zhì)中傳輸速度

r為介質(zhì)相對介電常數(shù)；

r為相對磁導(dǎo)率介質(zhì)中光速為

第9頁9（四）光波描述

主要參數(shù)折射率：n為折射率，等于光在真空中速度c與媒質(zhì)中相速u之比

折射率與介質(zhì)電磁性質(zhì)親密相關(guān)，依據(jù)光電磁理論，可知

所以可得

第10頁10（四）光波描述

主要參數(shù)光強：把能流密度S矢量應(yīng)用于平面簡諧光波

實際上測量到是S在測量時間間隔

內(nèi)平均值，稱它為平均能流密度或光強

I因為

遠(yuǎn)大于周期T，所以能夠用一個周期內(nèi)平均值來求

I第11頁1115.3光傳輸（一）光程和相位差光程：如圖所表示，光在折射率為介質(zhì)中從波源S傳到P點傳輸距離（旅程）r折算成在真空中傳輸長度，稱為光程

相位落后量

：

=2

r/

=2

rn/

0

第12頁12相位差若兩波源發(fā)出相同頻率（

1=

2），相同初相位（

10

20）兩列波，抵達(dá)P點處兩個光程之差（n2r2-n1r1）叫做光程差，表示為

，由光程差帶來相位差

為：

第13頁13（二）費馬原理費馬原理：光在任意介質(zhì)中從一點傳輸?shù)搅硪稽c時，沿所需時間最短路徑傳輸。后人推廣為：光在介質(zhì)中傳輸實際路徑是使所需時間為極值(極小值、極大值或穩(wěn)定值)路徑。第14頁14（三）光反射、半波損失、光折射光反射：反射定律：反射光線在入射面內(nèi)，反射角

等于入射角

。入射光線與界面在入時點法線所組成平面稱為入射面。

分別為入射光線和反射光線與法線所夾角即入射角和反射角。

第15頁15（三）光反射、半波損失、光折射光折射：當(dāng)光從一個介質(zhì)入射到另一個介質(zhì)表面時，不但會發(fā)生反射，還可能進(jìn)入第二種介質(zhì)，傳輸方向會改變（稱為折射），入射光線和折射光線與界面法線間夾角稱入射角和折射角，折射時滿足折射定律。第16頁16（三）光反射、半波損失、光折射折射定律：折射光線在入射面內(nèi)；入射角

和折射角

正弦之比為一常量，即

稱為第二介質(zhì)對第一介質(zhì)相對折射率，它也等于光在兩介質(zhì)中相速之比，即

對界面兩側(cè)介質(zhì)，折射率較大稱光密介質(zhì)，折射率較小稱為光疏介質(zhì)。折射定律也可寫成以下形式

第17頁17（三）光反射、半波損失、光折射半波損失：定義：在介質(zhì)分界面處，反射光和入射光振動方向相反，也就是說反射光與入射光相比，其振動相位發(fā)生了

突變，相當(dāng)于反射光在反射時增加（或降低）了半個波長光程，稱為半波損失。第18頁18（三）光反射、半波損失、光折射半波損失：當(dāng)光從折射率大光密介質(zhì)，正入射（入射角I

0）于折射率小光疏介質(zhì)時，反射光沒有半波損失。第19頁19（三）光反射、半波損失、光折射當(dāng)光從折射率小光疏介質(zhì)，正入射（入射角i

0）或掠入射（入射角I

90o

）于折射率大光密介質(zhì)時，則反射光有半波損失。第20頁20（四）全反射

光纖全反射：定義：當(dāng)光從一個折射率大光密介質(zhì)介質(zhì)n1入射到折射率小光疏介質(zhì)n2時，比如從水到空氣。當(dāng)光線以臨界角θc入射時，即入射角θi＝θc

時，此時只有反射光，無折射光，稱為全反射。臨界角大小為

第21頁21（四）全反射

光纖全反射試驗效果第22頁22（四）全反射

光纖光纖：制造原理：全反射光纖是在一根折射率較高玻璃纖維外包一層折射率較低玻璃媒質(zhì)光學(xué)纖維，光線經(jīng)屢次全反射可沿著它從一端傳到另一端，而且用大量這么玻璃纖維并成一束，光在各條纖維之間不會串通。假如纖維束兩端各條纖維排列次序嚴(yán)格對應(yīng)，則能夠利用它來傳像。

第23頁2315.4平面鏡與球面鏡（一）球面鏡平面鏡是曲率為無窮大球面鏡。球面鏡通常由拋光金屬或玻璃制成，表面還可能鍍上金屬或介質(zhì)膜。成像公式：傍軸條件下，射球面成象普遍物象距公式為

第24頁24（二）透鏡及成像公式透鏡是用透明材料制成一面或兩面為球面光學(xué)元件.分成會聚透鏡和發(fā)散透鏡，前者有實焦點，后者有虛焦點。物體經(jīng)過透鏡成象，當(dāng)物像方折射率相等時，薄透鏡成象公式為

成像公式牛頓形式第25頁25（三)成像等光程性幾何光學(xué)中證實了：在近軸（傍軸）條件下，薄透鏡使用僅改變光波傳輸路徑，而對各光線不造成附加光程差。主軸第26頁26（四）像差透鏡在傍軸條件下，實際成象中會產(chǎn)生偏離理想成象現(xiàn)象。單色像差（1）球面像差

（2）慧行像差

（3）像散

（4）像場彎曲

（5）畸變

色像差：因為折射率隨顏色（波長）不一樣而引發(fā)，不一樣顏色光所成像，不論位置和大小都可能不一樣。第27頁2715.5光探測（一）光探測器光電倍增管(70年前創(chuàng)造，現(xiàn)依然廣泛應(yīng)用)光電導(dǎo)探測器光電二極管互補性氧化金屬半導(dǎo)體電荷耦合器件

第28頁28光電倍增管:PMT(a)Schematicrepresentationofaphotomultipliertubeanditselectrodegeometry.(b)Voltagedividertosupplytheproperpotentialtothecathodeandthedynodes.第29頁29KEK,BELLEDetectorBELLE

andTOF

detectorMademuchcontributiontotheconstructionofallTOFmodulesforBELLE(64modules,keyrolefor

K/πidentifingandabilityofseperation)TOFworksverywell

withatimeresolutionof100ps

tomeetitsrequirementdesigned!http://belle.kek.jp/belle/transparency/photo_tof.html第30頁30（二）熱探測器熱探測器：（1）輻射熱測量計

（2）熱電偶

（3）熱電堆

15.5光探測第31頁3115.6光吸收、散射與色散（一）光吸收光吸收（朗伯定律

）：強度為I0光經(jīng)過一段長度為z介質(zhì)后，光強將減弱到

式中a稱為吸收系數(shù)，單位為m-1

．

朗伯定律說明，當(dāng)光在介質(zhì)中傳輸距離z=1/a時，光強減弱到原來1/e。第32頁32（二）光散射瑞利散射瑞利散射：散射光頻率和入射光相同，散射光強度與波長關(guān)系為

：

IS(λ)＝f(λ)/λ4