第1章几何光学1(传播规律费马原理全反射)_335501119

1光学OPTICS教材：光学讲义（试用）主要参考书：①新概念物理教程光学赵凯华②光学习题思考题解答钟锡华等著2教学环节：讲课讨论课作业考试：半开卷物理竞赛：北京市大学生物理竞赛（物理类）目的：检验教和学鼓励：加分答疑：助教各班自定教师每周二下午3点至5点刘卿楼819或8033总评成绩的组成：期中测验期末考试占90%助教给分额占10%（作业完成情况和学习积极性状况）平时成绩的记录作业：按时按量按质完成记录10分讨论课：出勤+预习+课堂状态记录10分答疑：记录名单次数印象44助教办公室Email班级人数夏力钢刘卿楼[e-mail]工物0136钟亮刘卿楼[e-mail]工物0236秦伟物理系[e-mail]核01+生81,8229+8张纾物理系[e-mail]核02+其他散选26+10魏瀚宇刘卿楼[e-mail]工物0320合作教师：朱相雷，[e-mail].杨振伟，[e-mail]办公地点：刘卿楼804，电话949085第1章几何光学§1.1光线传播规律§1.2几何光学的基本原理§1.3光学系统的近轴成像6光学是研究光的本性、光的产生和传播、光与物质的相互作用，以及光在科学研究和技术中的应用的科学。光学既是物理学中最古老的一门基础学科，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。一.光学的三个研究领域720世纪60年代以来激光、计算机出现改变面貌：激光、光纤通讯；集成光学、非线性光学光信息处理设计方式的改变像质评价新的概念和内容81.几何光学：所涉及的波长远远小于仪器线度dd2.波动光学：d~直线传播规律为基础成像光学仪器的理论电磁波理论为基础传播特性干涉衍射偏振及应用3.量子光学：d量子理论为基础光与物质的相互作用古老充满活力9托马斯·杨惠更斯牛顿（A.J.Fresnel,1788-1827)菲涅耳（I.Newton,1643-1727)（C.Huygens,1629-1695)（T.Young,1773-1829)10JamesClerkMaxwell(1831-1879)麦克斯韦爱因斯坦（AlbertEinstein,1879-1955）傅科(JeanBernardLéonFoucault,1819-1868)11二.光源光源：任何发光的物体都可以叫做光源1.热辐射（热能转化为电磁能）如太阳、白炽灯2.非热发射（冷光源）气体放电光源、金属蒸气电弧光源、固态发光体、同步辐射等12(1)热辐射太阳光，白炽灯等(2)电致发光闪电发光二极管等(3)光致发光荧光物质磷光物质(4)化学发光燃烧萤火虫13能级跃迁三种基本形式自发辐射受激吸收受激辐射3.发光机理14波列波列长L=c(1)自发辐射E2E1hEE/12..普通光源的发光机理随机15E2E1N2N1h●另有某个能量为E2的高能级若原子处在某个能量为E1的低能级当入射光子的能量h等于E2E1时原子就可能吸收光子而从低能级跃迁到高能级这个过程叫受激吸收●（2）受激吸收16（3）受激辐射激光发光的机理爱因斯坦在研究黑体辐射时发现辐射场和原子交换能量时只靠自发辐射和吸收是不能达到热平衡的还必须存在另一种辐射方式----受激辐射17•受激辐射若入射光子的能量h等于原子高、低能级的能量差E2E1且高能级上有原子存在时入射光子的电磁场就会诱发原子从高能级跃迁到低能级同时放出一个与入射光子完全相同的光子18全同光子:hE2E1N2N1●●频率相位振动方向传播方向相同•受激辐射有光放大作用好激光器：/量子态个光子201019激光又名莱塞(Laser)全名是（Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）“辐射的受激发射光放大”世界上第一台激光器诞生于1960年1954年制成了受激发射的微波放大器——梅塞（Maser）它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦提出的受激辐射理论201)使激光具有极好的方向性（沿轴线）2)增强光放大作用（相当于延长了工作物质）3)使激光具有极好的单色性（选频）激励能源全反射镜部分反射镜激光光学谐振腔的作用激光有相当好的相干性21光波是指能被人的视觉感受的电磁波其波长400-750nm（400—800nm)频率约在41014-7.51014Hz又叫可见光赤橙黄绿青蓝紫---七色光三.光是电磁波cm10A18om108.7109.377221.真空中的光速cusm1031800ncurrnrr1透明介质说明：与物质作用的主要物理量是电矢量通常被称为光矢量E所以2.光矢量2324可见光七彩颜色的波长和频率范围光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~622660橙622~597610黄597~577570绿577~492540青492~470480蓝470~455460紫455~400430141410841093.~.141410051084.~.141410451005.~.141410161045.~.141410461016.~.141410661046.~.141410571066.~.25超声波胎儿的超声波影象（假彩色）20000Hz的声波3.视觉彩色分辨远大于对黑白的分辨26白光对视网膜上感红、绿、蓝的三种锥状细胞都有等量的刺激。若注视红色太久，感应红光的锥状细胞已疲劳，其反应就减弱。而感应蓝、绿的锥状细胞就相对较强，因而只产生蓝、绿色的视觉。医生和护士在手术室中为什么不穿白色的工作服？三基色：红绿蓝白衣天使27在手术进行中，医生需要长时间注视血红的手术部分，如果转看白墙或白衣，就会觉得在墙上或衣服上出现一个形状与手术部分相似的蓝绿色图形，这会令视觉很不舒服。因此，手术室的墙，以及手术服都是蓝绿色的，这样就与蓝绿色的幻像融为一色，而不觉其存在了。28§1.1光线的传播规律一.几何光学的光线概念几何光学就是把光的传播当作光线基本任务：讨论光线的传播和成像及在光学仪器中的应用1.理想的光线：不考虑波动性光线代表了能量的传播方向2.光束：一定立体角范围内的全部光线293.同心光束各光线本身或其延长线交于同一点如点源（几何尺度可忽略的光源）发出的各光束就属同心光束点源4.平行光束发散光束会聚光束无限大面源30能量在各向同性介质中球面波柱面波平面波1）波面与波射线的关系：波射线垂直波面2)波射线是波的能量传播方向3)平面波是最理想的波（一维问题能量不发散）点源线源面源31BA二.几何光学基本三定律实验规律1.光线的直线传播定律光在均匀介质中沿直线传播在非均匀介质中光线将因折射而弯曲小孔成像3233342.光线的独立传播定律光在传播过程中与其他光束相遇时各光束都各自独立传播不改变其性质和传播方向光束中各光线也独立35入射面:入射光线和分界面的法线构成的平面反射面：反射光线和分界面的法线构成的平面21'1iCBA1iD2i3.光线的反射定律和折射定律:折射面：折射光线和分界面的法线构成的平面361'1ii反射定律：反射光线在入射面内；（或说反射面和入射面共面）入射光线和反射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。21'1iCBA1i反射光线D2i折射光线371221sinsinnnii折射定律:折射光线在入射面内；入射光线和折射光线分居法线两侧；且有通常写成2211sinsininin38211212uunnn相对折射率介质的绝对折射率：ucn2211ucnucn391）光路的可逆性原理当介质确定的情况下与入射角无关21sinsinii恒量讨论2211sinsininin402）色散介质色散介质折射率不仅与介质种类有关,而且与光的波长有关。即，光在折射时，不同波长的光将分散开来，这种现象叫作色散。三棱镜色散该介质叫色散介质)(nn41Moregenerally,prismscandisperselightatbothsurfaces.Thiseffectivelydoublestheprismdispersion.42棱镜光谱仪色散介质元件单色仪？非色散介质也叫线性介质，如空气，水等。433）全反射当光线从光密介质射向光疏介质时cinnsin90sin1o2)arcsin(12nnic当入射角大于等于时，全部光能量都返回原介质，这种现象叫作光的全反射。ci44ci入射角大于临界角的光线发生全反射1n2n21nn全反射：45临界角(Criticalangle):4.24ci42.21n3.33ci首饰：磨制的技巧空气中看很亮水中看就暗淡了46§1.2几何光学的基本原理一.光程ln频率为的光在折射率为均匀介质中走过的几何路程为ln定义为：光在介质中的光程nlL47光程：等效的真空中的几何路程ucnnlLtculc引入光程的意义：方便计算统一用真空中波长计算48光程：等效的真空中的几何路程频率为的光连续经过几个均匀介质几何路程分别为321lll1l2l3l321nnn321AB从A到B其总光程是332211lnlnln一般表达式ikiiiln149ABdln(x,y,z)L一般：n(x,y,z)光程(AB)沿LBAlnd(L)clntkiiii均以真空中的数据进行计算50二.费马原理的表述AB两点间光线的实际路径是光程为平稳的路径即，实际光线的路径上光程的变分为零)(0dABLln光程取极值多数情况：光程最小和恒定少数情况：光程是极大这种思路对以后物理思想的发展有重要影响51三.由费马原理推导几何光学三定律(自学）(1)均匀媒质，n是常数，如图，蓝色线段为最短路径，因此由费马原理直接得出光沿直线传播。QP(2)反射定律iiii对应的折线ADB最短BCDAEB'由A点发出的光线经界面D点反射后通过B点，符合反射定律，其光程较其他任一光线ACB’的光程都小。52ABCDE1i2i由A到B，符合折射定律的光线ABD的光程，比任何其他由A至B的路径的光程都小。(3)折射定律53等光程的例子回转椭球凹面镜，自其一个焦点发出,经镜面反射后到达另一焦点的光线等光程。54光程取极大值的例子上图表示凹球面反射镜，C为其球心，P为球面顶点，过C作PC的垂线，A和A’为垂线上任意一对与C点等距离的点。光路APA’满足反射定律，为实际光路。可以证明，它与邻近光路相比，光程为极大值。55光程取极大值的例子证：过凹球面的顶点P，以A和A’为焦点作椭球面。显然，椭球面在球面的外面，它们相切于P点。对球面的任意邻近光路AQA’,由于A’R+RQA’Q,所以(ARA’)(AQA’),而(ARA’)=(APA),故(APA’)(AQA’)。即凹球面反射镜的这条实际光路APA’与邻近光路比，为光程极大。56﹡四.全反射应用举例(1)全反射棱镜借助光在棱镜中的全反射，改变光的传播方向。这种棱镜被广泛应用在各种光学仪器中和各种实验光路中.由于全反射时光能量能完全返回原介质,所以它比镀铝或镀其他介质膜的反射镜更优越,后者的反射面上对光能量有一定的吸收。使像的上下方位倒转，但左右方位不变57光进入光导纤维后,多次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.(2)光导纤维光导纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.58b梯度型光纤阶跃型光纤arrnn阶跃型多模光纤梯度型多模光纤59cngn0ncniAii2πB)1arcsin(2200cgnnni凡是入射角小于i0的入射光，都将通过多次全反射从一端传向另一端；入射角大于i0的光线，将透过内壁进入外层，不能继续传送。（习题1.4）阶跃光