1-- 绪论;第一篇―第一章：几何光学的基本原理(10物理)

普通物理学（光学）主讲陈立冰佛山科学技术学院光电子与物理学系物理学（师范）专业2010级同学们好！主要参考书•赵凯华、钟锡华《光学》上下册(北大)•易明《光学》（高教社）•郭永康、鲍培谛《基础光学》(四川大学)•郭光灿、庄象萱《光学》(高教社)•章志鸣、沈元华、陈惠芬《光学》(高教社)•母国光、战元令《光学》(人民教育社)前言光学，是一门历史悠久的学科，光学教科书中的传统内容已十分丰富。然而，1960年激光的问世，推动了光学领域的迅猛发展，光学内容已渗透到各个领域，并出现许多交叉分支。一.光学的研究对象及学习光学的意义1.光学的研究对象光学是研究光的本性、光的产生与控制、光的传输与检测、光与物质的相互作用，以及它的各种应用的学科。2.学习光学的意义光学不仅作为基础性的学科而有其本身的学术性，而且它还有极强的应用性，它的进展和成就已经和必将在科学进步和国民经济的发展中发挥越来越大的作用。二.光学发展简史我国古代对于光学现象的观察和总结有十分辉煌的成就。例如:小孔成像、凸面镜、凹面镜成像光是什么？——这是光学发展至今几千年，人们一直努力地探索的问题。1.我国古代的成就2.20世纪前的学科发展简史——经典光学阶段观点：光是发光体发射出的微小粒子，所以光是沿着直线行进的。它可对光的反射、折射现象做一定的解释，但得出光的V水V空的结论。对光的本性的认真探讨，应该说是从17世纪开始。1.1光的微粒说1642----1772SirIsaacNewton1.2光的机械波动说观点：光是一种在“以太”的弹性介质中传播的机械波。解释了光的直线传播、反射、折射、干涉、衍射现象，根据光的偏振现象确认光是横波；初步测定了波长；得出V空V水—1862年被傅科的实验证实。17世纪末—19世纪上半叶19世纪初ThomasYoung和菲涅耳等人的理论和实验工作，把光的波动理论大大向前推进。十七世纪晚期Huygens提出了波动（纵波）理论，认为光是一种特殊的波而不是粒子集合。1629----1695惠更斯—菲涅耳旧波动理论的弱点和微粒理论一样，都带着机械论的色彩。横波速度=[固体的切变模量/固体的密度]1/2“以太”的密度要比空气小得多，而它的弹性切变模量比钢大得多。——“以太”的性质太离奇！机械波只能在介质中发生和传播，光是横波，而机械横波只能在固体中产生。1.3光的电磁说观点：光是一种电磁现象根据：1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在。解释：光的反射、折射、干涉、衍射、偏振、色散双折射等现象1865年麦克斯韦建立了光的电磁理论。光的波动本性可由麦克斯韦方程组完美描述1831～1879(JamesClerkMaxwel)英国物理学家c（光速）＝λ（波长）×ν（频率）可见光的频率4.3×1015HZ（红光)--7.5×1015HZ光能E=hν波的能量与频率成正比无线电波可见光波长~400nm--760nm光谱图中最短的γ射线波长~0.1nm最长的无线电波波长~cm--m光的电磁波理论以大量的无可辩驳的事实赢得了普遍的公认。光的电磁波理论在整个物理学的发展中起着重要作用，它指出光与电磁现象的一致性。它再一次证明了自然现象存在相互联系这一辩证唯物论的基本原理，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。20世纪初光学研究进入到近代光学阶段3.20世纪中若干重大进展19世纪末、20世纪初是物理学发生伟大革命的时代，物理学取得了划时代的进展。两理论诞生中光学扮演着极其重要的角色标志：相对论、量子论的建立·迈克尔孙—莫雷实验（1887年）用光学方法测量地球对“以太”的运动速度,得到了否定的结果，对爱因斯坦建立相对论起到了重要佐证作用。（参考母国光《光学》P517）•黑体辐射•光电效应发射的光子能量∝入射光频率•原子的线状光谱等用麦克斯韦电磁理论无法解释的现象1900年普朗克提出能量量子化假设能量量子化概念的产生•原子光谱结构的规律性的研究•黑体辐射能量的光谱分布研究MaxPlanck1858----1947引导到•光电效应的研究1905年爱因斯坦提出光子理论和光的波粒二象性。将光解释成一种能量的集合—光子ε=hν。1879----1955AlbertEinstein1905年光的量子理论—光子的概念**光具有波粒二象性！↓密立根和康普顿的精密实验研究确立了光量子论的地位，因此分获1923和1927年诺贝尔物理学奖。光电效应的研究→光电池、有声电影、电视等技术。光究竟是粒子还是波动？*光除了具有波动性外，还具有粒子性。*一切微观粒子都具有波粒二象性。——这个认识促进了原子核和基本粒子研究的发展，也推动人们去进一步探索光和物质，包括实物和场的本质问题。20世纪20—40年代光学技术的成果迈克尔孙天体干涉仪测量了宇宙中双星的张角（1920年）宇宙中双星接收屏Δθ双缝dx•全息照相术盖柏（英国、1948年）采尼克相衬显微镜观察了不染色而仍存活的细胞及透明的细胞质（1935年）（1953年获诺贝尔奖）FritsZernikel1888----1966光波的相位关系是表征光的波动特性的一个重要参数。迈克尔孙天体干涉仪采尼克相衬显微镜全息照相术均利用了光波的相位关系50-60年代光学取得了突破性进展——激光的出现！1960年世界第一台红宝石激光器研制成功，激光的出现使光学学科进入到现代光学阶段。光学学科的革命性发展冲击了整个物理学科,并对化学、生物、电子、材料科学、医学等学科都产生了巨大影响。•激光的出现和发展形成了新的光学子学科•激光的出现带来了许多光学新技术的开拓激光光谱学、非线性光学、薄膜光学等光纤通信、集成光学、光电子学、光计算机4.现代光学现代光学以量子光学、激光理论与技术、非线性光学、现代光学信息处理技术及光电子技术等为标志。量子电动力学是现代光学的理论基础。三.光学的发展趋势—光子学的兴起光子与电子的差别电子光子静止质量mo0运动质量mhν/c2运动速度小于cc自旋½1统计分布规律费米子玻色子•电子与光子是截然不同的实体。光子与电子的相似性1.性质都具有波粒二象性P=h/λε=hν2.都可作为信息载体助视仪器：显微镜、电子显微镜望远镜、电子望远镜探测仪器：X光衍射仪、电子衍射仪光谱仪、电子光谱仪扫描隧道电子显微镜光子扫描隧道显微镜相似性电学、电子学、电子技术、电子工程——电子工业光学、光子学、光子技术、光子工程——光子工业一门与电子学相并行的学科——光子学正在兴起*光具有那些特性？由于激光的优异性能，引起了人们对光的本性研究的进一步深入。激光与一般光波不同的光子统计分布规律光束中的光子存在着聚簇性现象的原因量子力学描述光束的所谓“相干态”，激光所特有的“压缩态”等问题*光是什么？（作业）四.光学课的特点及学习方法特点:术语多、概念多、头绪多方法：注意概念的理解、熟悉思维方法五.课程安排及考核1.课程安排2.考核：平时30%，期末考试70%。光学的理论体系光学经典光学几何光学以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题.波动光学以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律.量子光学以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，研究光的一系列规律.现代光学激光原理及应用傅立叶光学全息光学光谱学非线性光学光学树的树干之间的联系——三个物理常量*用普朗克常数h联系光的波动性和量子性*用光波波长是否趋于零以区分几何光学和波动光学*用电极化率x是标量还是张量以区分光在各向同性介质中和各向异性介质中传播；用电极化率x对光场的响应是线性还是非线性以区分线性光学和非线性光学。第一篇几何光学h→0，→0光通过薄透镜是如何成像的？几何光学的基本方法：几何光学的基本实验定律+数学的几何方法→确定光的传播和成象在不同的介质分界面上光有何表现？显微镜为何能观察到细菌？第一章几何光学的基本原理§1几何光学的基本定律和费马原理1.1基本定律光源、点光源、光线、光束、波面1.光的直线传播定律（各向同性的均匀介质！）2.光的独立传播定律3.光的反射定律（透明、均匀、各向同性）4.光的折射定律（透明、均匀、各向同性）•由上述定律可得出光路可逆性原理。1.光的直线传播定律在均匀介质中，光沿直线传播.光的直线传播是我们日常生活中司空见惯的现象.2.光的反射定律反射光线、入射光线总是和法线处在同一平面(入射面)内，入射光线和反射光线分居于入射点界面法线的两侧，反射角等于入射角.入射光线反射光线法线iiii3.光的折射定律折射光线与入射光线和法线同处在一个平面上，入射光线和折射光线分居于法线两侧；入射角与折射角的正弦之比是一个取决于两介质光学性质及光的波长的常量.12'sinsinnii其中：n12称为介质2相对于介质1的折射率.入射光线折射光线入射角i折射角i’法线介质1介质2相对于真空的折射率称为绝对折射率，其定义为：vcnc为光在真空中的传播速度v为光在介质中的传播速度211212vvnnn两种介质相比较，折射率大的介质，光在其中的传播速度小，称为光密介质；折射率小的介质，光在其中的传播速度大，称为光疏介质.白光通过三棱镜，折射时将各波长的光分散形成光谱，称色散.4.光的独立传播定律光在传播过程中与其它光线相遇时，不改变传播方向，各光线之间互不受影响，各自独立传播，会聚处，光能量简单相加.5.光路可逆性原理如果反射光或折射光的方向反转，光线将按原路返回.12'sinsinnii*几何光学实验定律成立的条件1.被研究对象的几何线度D远大于入射光波波长（注意：可见光波长的数量级！）D/1衍射现象不明显，定律适用。D/~1衍射现象明显，定律不适用。2.入射光强不太强在强光作用下可能会出现新的光学现象。：几何光学的基本实验定律有一定的近似性、局限性。1.2费马原理一.光程（P15）定义光程：△=nl均匀介质中:光程表示光在该介质中走过的几何路程l与介质折射率n的乘积。因为n=c/v，于是得△/c=l/v可见：光程表示光在介质中通过真实路径l所需的时间内，在真空中所能传播的路程。*可见，同频率的光在不同的介质中，在相同的时间内传播的几何路程不同，但光程相同。为什么要引入光程的概念？22112211nclnclvlvlt有例如：同频率的两束光波，分别在两种不同的介质中传播，在相同的传播时间内，两光波所传播的几何路程不同，即：2211lnln又有光程的概念可理解为：光在介质中通过真实路程所需时间内，在真空中所能传播的距离。（例子）借助光程，可将光在各种介质中走过的路程折算为在真空中的路程，便于比较光在不同介质中传播所需时间长短。clnclnt22111.均匀介质中光程△=nl2.若光线从A出发，中间经过N种不同的均匀介质而到达B点，则总光程△为Nilnii1BAndl3.若A点到B点之间介质的折射率是缓慢连续改变的，则光程为二.费马原理的表述费马原理：光线在A、B两点之间传播的实际路径，与其它可能的邻近的路径相比其光程为极值。即：光沿光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播。又因为t=△/c费马原理也可表述为：光沿着所需时间为极值的路径传播。（在一般情况下，实际光程大多取极小值或恒定值。）费马原理的数学描述在光线的实际路径上光程的变分为零，即费马用光程的概念把几何光学的基本定律归结为一个统一的基本原理，是基本定律的普遍表述。它可以从总体上确定不考虑衍射时，光线行进的路径。0δδ0δδBABAvdltndl值的路径传播，即或光沿着所需时间为极三.费马原理的应用点光源A（x1，y1，0）接收器B（x2，y2，0）入射线与界面交点CC（x，0，z）由费马原理可以推导出几何光学的全部基本实验定律，可以确定光线的传播方向、路径。例：利用费马原理导出折射定律21222222212212112211)()(zxxylzxxyllnlnACB其中：令：由A点到B点的光程:21,lBClACXB(x2,y2,0)x2C(x,0,z)i1i2A（x1,y1,0）-x10yxl1l2n1n20)(z0)(x