《2012第一章基础光学(1)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2012第一章基础光学(1)（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光 学武汉大学物理科学与技术学院 2011级同 学 们 好！主讲主讲 于国萍于国萍主 要 参 考 书n赵凯华、钟锡华光学上下册 (北大)n钟锡华现代光学基础（北大）n郭永康、鲍培谛基础光学(四川大学)n郭光灿、庄象萱光学(高教社)n章志鸣、沈元华、陈惠芬光学(高教社)n母国光、战元令光学(人民教育社)nBorn Wolf Principles of Opticsn杨霞荪等译，.玻恩、埃米尔.沃尔夫光学原理第七版，上下册 (电子工业出版社)前 言一、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、。2. 学习光学的意义光学是物理学中一门重要的基础学科 ， 也是一门应用性很强的学科。二、 光学发展简 史光是什么？见资料：光学发展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。（北宋、沈括、梦溪笔谈）例如: 小孔成像、凸面镜、凹面镜成像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。解释：假定V水V空时，可解释光的反射、折射现象公元前5世纪17世纪末，18世纪初。光的微粒说1642-1772 Sir Isaac Newton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：光的直线传播、
3、反射、折射、干涉、衍射、偏振现象。17世纪末19世纪上半叶根据：惠更斯原理1807年Thomas Young用光的衍 射行为进一步证实了这一理论。十七世纪晚期Christian Huygens提 出了波动理论，认为光是一种特殊 的波而不是粒子集合1629-1695“以太”的性质太离 奇横波速度 = 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。 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。光在不同的介质中传播速度不同。不同的物质中的以太有不同的性质。光的电磁说 观点：光波就是电磁波。根据：1888年赫兹用实验 证实了电
4、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18311879 (James Clerk Maxwel) 英国物理学家 c（光速）（波长）（频率）可见光 4.31015HZ（红光)-7.5 1015HZ 光能E =h 波的能量与频率成正比无线电波可见光波长 400nm-760nm 光谱图中最短的射线波长 0.1nm 最长的无线电波波长 cm-m20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20世纪初期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
5、论的建立迈克尔孙莫雷实验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。（参考南开母国光-光学P517）n黑体辐射n光电效应发射的光子数n 入射光 n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能量量子化概念的产生 原子光谱结构的规律性的研究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黑体辐射能量的光谱分布研究Max Planck 1858-1947引导到引导到 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 =h。1879
6、-1955 Albert Einstein光子的概念、光的波粒二象性发射的光子数n 入射光 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 。 波粒二象性是一切基本粒子所共有的属性。 *光除了具有波动性外，还具有粒子性。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 屏双缝dxn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）Frit
7、s Zernikel 1888-1966光波的位相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均利用了光波 的位相关系的位相关系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 学量子电动力学是现代光学的理
8、论基础光是什么？1.光的本质是什么？ 2.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”等问题信息： 中科院上海光学精密机械研究所宣布：上海小 型化超短超强激光功率成功突破100太瓦（1太瓦 1012瓦）大关，输出峰值功率达到120太瓦/36飞秒 ，这标志着上海在这一领域已进入了国际同类研究 的前沿，目前，国际上只有少数发达国家的著名实 验钛宝石激光装置输出功率超过100太瓦。 在1000万亿分之36秒（3610-15秒）的超短瞬间， 上
9、海超短超强激光装置迸发出相当于全球电网发电 总和数十倍的强大功率。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 mo 0 运动质量 m h/c2运动速度 小于c c自旋 1统计分布规律 费米子 玻色子n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/ = h 2. 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
10、行的学科 光子学正在兴起四、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20%，期中考试20%， 期末考试60%。第一章 几何光学1.1几何光学的基本定律和费原理1.1 基本定律光源、 点光源、 光线、 光束 1 .光的直线传播定律2 .光的独立传播定律3 .光的反射定律4 .光的折射定律n由上述定律可得出光路可逆性原理。* 几何光学实验定律成立的条件被研究对象的几何尺寸D远大于入射光波波长 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
11、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。例：自感应透明（强光入射 时）普通光源 694.3nm红宝石片I I0 强烈吸收闪光时间30s，脉冲宽度1ms 峰值功率10104W红宝石片 I/ I0=90脉冲红宝 石激光器 694.3nm1.2 费原理一、光程定义光程 ： l = n l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 l / 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为什么要引入光程的概念？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
12、相同的传播时间内，两光 波所传播的几何路程不同即：* 可见，光在不同的介质中，相同的时间内 传 播的几何路程不同，但光程相同。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。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。1. 均匀介质中光程 l = n l 2. 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l 为3. 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. 费原理的表述费原理：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。
13、即： 光沿光程为极值（极大、极小或常量 ）的路径传播。又因为 t = l/ c费原理也可表述为： 光沿着所需时间为极值的路径传播。费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。三. 费原理的应用 由费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：利用费原理导出折射定律点光源点光源 A A（x x1 1，y y1 1，0 0）接收器接收器 B B（x x2 2，y y2 2，0 0）入射线与界面交点入射线与界面交点 C C C
14、 C（x x，0 0，z z）令： 由A点到B点的光程: XB(x2, y2, 0) x2C (x,0,z)i1i2A（x1,y1,0）-x10yxl l1 1l l2 2n n1 1n n2 2AB的路径应选择哪一条？的路径。按费原理C点的位置应 使ABC为极值。求路径 l 光程变分为0的 条件：光线只取将l1、l2的表达式代入上式有1.只有Z=0 （2）式才成立。C点Z=0说明：C点位于过A、B点且垂直于折射界面的平面. 即:入射线、法线、折射线三者共面。2.讨论：C (x,0,z)i1i2 l2B(x2,y2,0)x2- x1xOA (x1,y1,0) Yl1X2 成像的基本概念2. 1 2. 1 物和像物和像同心光束同心光束 相交于一点或延长线相交于一点的光束相交于一点或延长线相交于一点的光束 会聚的同心光束会聚的同心光束 发散的同心光束发散的同心光束 象散光束象散光束 物和像物点和像点：实物、虚物 、实象、虚象物面和像面：物点、像点的集合S2 S2 S1 S3 S3 n1
