大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L2惠更斯原理知識(shí)課件

波面波線

§2惠更斯原理2.1波的幾何描述波動(dòng)：擾動(dòng)在空間的傳播波面：

（1）在同一振源的波場(chǎng)中（2）振動(dòng)同時(shí)到達(dá)的各點(diǎn)具有相同的位相滿足上述條件的振動(dòng)軌跡稱為波面或波振面。球面波：平面波：波線：波面與波線

球面波

平面波1/18/202512.2惠更斯原理的表述在t時(shí)刻由振源發(fā)出的波擾動(dòng)傳到了波面S，惠更斯提出，S上的每一面元可以認(rèn)為是次波的波源，惠更斯原理1/18/20252原理的優(yōu)點(diǎn)：提出了次波概念原理的不足：給不出新波面的強(qiáng)度分布惠更斯原理1/18/202532.3惠更斯原理對(duì)直線傳播問題的解釋

見P31圖2-5幾何光學(xué)原理的適用范圍1/18/20255§3費(fèi)馬原理3.1光程定義：如圖，在均勻媒質(zhì)中有：

在m種不同的媒質(zhì)中有：

在折射率連續(xù)變化的媒質(zhì)中：媒質(zhì)1媒質(zhì)2媒質(zhì)33.2光在媒質(zhì)中走過的光程等于在真空中走過的幾何路程證明：，

就有

1/18/202563.3光程相同含有的波數(shù)相同：

波數(shù)定義：

已知：

求證：

證明：1/18/20257已知有：

就有：

這個(gè)命題的物理意義：可以通過比較光程比較兩個(gè)波動(dòng)的狀態(tài)差異。1/18/202583.4位相差與光程差成正比

Q點(diǎn)的振動(dòng)方程：

P點(diǎn)的振動(dòng)方程就是：

其中定義波矢：

設(shè)其方向沿波動(dòng)的傳播方向QP1/18/20259光程：

則有：

其物理意義：可以通過比較兩個(gè)振動(dòng)的光程來(lái)考察兩個(gè)振動(dòng)的步調(diào)差異。位相差：1/18/202510光在指定的兩點(diǎn)間傳播，實(shí)際的光程總是一個(gè)極值（最小值、最大值或恒定值）。Fermat原理是幾何光學(xué)的基本原理，幾何光學(xué)中的三個(gè)重要定律——直線傳播定律，反射定律和折射定律——都能從Fermat原理導(dǎo)出。3.5費(fèi)馬原理的表述(P,Q是二固定點(diǎn))1/18/202511在均勻媒介中光的直線傳播定律是費(fèi)馬原理的顯然結(jié)論?？紤]由Q發(fā)出，經(jīng)反射面到達(dá)P的光線。相對(duì)于反射面取P的對(duì)稱點(diǎn)P’,從Q到P任意可能路徑QM’P的長(zhǎng)度與QM’P’的長(zhǎng)度相等。顯然，直線QMP’是其中最短的一根，從而路徑QMP的長(zhǎng)度最短。根據(jù)費(fèi)馬原理，QMP是光線的實(shí)際路徑。由對(duì)稱性分析不難看出，

（1）反射定律3.6由費(fèi)馬原理推導(dǎo)幾何光學(xué)三定律

1/18/202512（2）折射定律折射面作yx共面（）考慮從A經(jīng)折射面上任一點(diǎn)到B的光線由作的垂線，垂足為考慮由A出發(fā)經(jīng)折射到達(dá)B的光線（I）1/18/202513（II）確定的位置在平面內(nèi)，令則故光程總是大于光程而非極小值?？梢姽獬套疃痰穆窂綉?yīng)在平面內(nèi)尋找，即折射光線在入射面內(nèi)。yx1/18/2025141/18/202515§4成像4.1實(shí)像與虛像，實(shí)物與虛物

同心光束，光具組，理想光具組，物點(diǎn)，像點(diǎn)

注意：

1）判斷的出發(fā)點(diǎn)：同心光束是光具組的入射光束還是出射光束2）物點(diǎn)或像點(diǎn)是相對(duì)具體光具組而言的1/18/202516實(shí)物和虛物：實(shí)像和虛像：

物空間和像空間：物方折射率像方折射率：物像共軛性：物像之間的等光程性：

物點(diǎn)和像點(diǎn)之間的條條光程都相等光學(xué)系統(tǒng)的成像

（a）實(shí)物成實(shí)像（b）實(shí)物成虛像（c）虛物成實(shí)像（d）虛物成虛像1/18/202517

虛物（或虛像）點(diǎn)到對(duì)應(yīng)的折射（或反射）點(diǎn)之間的光線的延長(zhǎng)虛線的幾何長(zhǎng)度與此光線所在媒質(zhì)的折射率之積取負(fù)值，稱為此虛物（或虛像）點(diǎn)的虛光程。

定義:(L)=-nl

虛光程：1/18/202518（1）反射情況：即1/18/202519（2）折射情況1/18/202520（3）折射情況第一次成像：

或者：

第二次成像：

兩次合起來(lái)有：

1/18/202521注意：

1）引入虛光程概念是為了把物像之間等光程原理推廣到虛物或虛像情形。2）正確寫出虛光程公式的關(guān)鍵是正確判斷虛光線所在媒質(zhì)的折射率，這由虛線對(duì)應(yīng)的實(shí)際光線所在的媒質(zhì)的折射率來(lái)確定3）圖中的虛線不一定是虛光程1/18/2025224.3單心光束實(shí)像和虛像4.3.1單心光束實(shí)像和虛像單心光束：各光線本身或其延長(zhǎng)線交于同一點(diǎn)的光束。在各向同性介質(zhì)中它對(duì)應(yīng)于球面波光具組：由若干反射面或折射面組成的光學(xué)系統(tǒng)。如果一個(gè)以Q點(diǎn)為中心的同心光束經(jīng)光具組的反射或折射后轉(zhuǎn)化為另一以Q’點(diǎn)為中心的同心光束，我們說光具組使Q成像于Q’。Q稱為物點(diǎn)，Q’稱為像點(diǎn)。若出射的同心光束是會(huì)聚的，我們稱像點(diǎn)Q’為實(shí)像；若出射的同心光束是發(fā)散的，我們稱像點(diǎn)Q’為虛像。1/18/202523實(shí)物成實(shí)像實(shí)物成虛像虛物成實(shí)像虛物成虛像光具組QQ’光具組QQ’光具組Q