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1、第一章 光和光的传播,学好光学课的重要意义,当今科研前沿的热门学科 光学课程是众多光学方面课程的基础启蒙课程 如：激光原理与技术，量子光学，信息学光纤光学，集成光学，光谱学，光子开关术全息光存储技术，光纤通信技术原理，非线性光学，晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等, 1.光和光学,人类感官接收到外部世界的总信息量中至少有90以上通过眼睛。 光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年青学科。 激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科。,1.1光的本性,光学发展的简史（五 个 时 期）,一、萌芽时期 公元前500年-公元1500年：经历大约2000年 面镜、眼镜和幻灯等光学元件
2、已相继出现,二、几何光学时期 1500-1800，大约300年,1、建立了光的反射定律和折射定律， 奠定了几何光学的基础 2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器 3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位 4、对折射定律的解释是错误的,亦即：光在光密媒质中的速度较大,折射定律：,三、波动光学时期 1800-1900，近100年 1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉现象 2、惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象 3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象 4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波 5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小于在空气中的传播速度 6、波动光学的理论体系已经形成，光的波动说战胜了光的
3、微粒说,四、量子光学时期 1900-1950，近50年 1、1900年普朗克提出了量子假说，成功地解释了 黑体辐射问题 2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了 光电效应问题 3、光的某些行为象经典的“波动” 4、另一些行为却象经典的“粒子”,光的两种互补性质：,传播过程中显示波动性,与其他物质相互作用时显示粒子性,光具有波粒二象性,光的本性,五、现代光学时期 从1950年至今,1、全息术、光学传递函数和激光的问世 是经典光学向现代光学过渡的标志 2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度 飞速发展 1）智能光学仪器 2）全息术 3）光纤通信 4）光计算机 5）激光光谱学的实验方法,1.2、 光源
4、与光谱,1）可见光的波长范围： 其中： 频率： 真空中的光速： 对应的频率范围：,光源,2）光强：通过单位面积的平均光功率， 或者说，光的平均能流密度。 3）光强表达式： ， 分别是相对介电常数和相对磁率 分别是真空介电常数和真空磁率,在光频波段 故,真空中电磁波的波动方程： 可得： 在不同媒质中有： 在相同介质中有：,4）相对光强： 注意： 光强是一个平均值,5）光强定义为一个平均值的原因,响应时间：能够被感知或被记录所需的最短时间 人眼的响应时间： 最好的仪器的响应时间大约： 光波的振动周期： 人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度 有实际意义的是光波的平均能流,光 谱,1）单色光：仅有单
5、一波长的光叫单色光，否则是非单色光。 2）谱密度： 3）光谱：谱密度随波长变化的分布曲线 4）连续光谱：光谱随波长的变化分布连续叫做 连续光谱,5）线光谱：光谱集中在一些分立的波长区间的 线状谱线，就叫线光谱。,谱线宽度：每条线光谱在其半强度值处的波长间隔 称为谱线宽度。越小表示光波的单色性越好,连续光谱,线光谱,1.3光学的研究对象、分支与应用,光学是研究光的传播以及它和物质相互作用问题的学科,几何光学：,（尺度相对光的波长大得多，从而其波动效应不明显）,波动光学：,研究光的波动性的学科（干涉、衍射、偏振）,量子光学：,研究光和物质相互作用的问题（分子、原子尺度）,近代光学:,激光、全息、傅
6、利叶和非线性光学,从光的直进、反射、折射等基本实验定律出发，研究成像等光的传播问题,2光的几何光学传播规律,几何光学基本定律 1.1 几何光学三定律 1.2 全反射定律 1.3 棱镜与色散 1.4 光的可逆性原理,光在均匀媒质里沿直线传播。,2.1 几何光学三定律,（1）光的直线传播定律：,例：物体的影子, 针孔成像,例：海市蜃楼(mirage),海市蜃楼(mirage)是一种折光现象，由于靠近表面竖直方向上空气密度的剧烈变化，使得一些远处的物体在一定区域形成图像以代替其真实位置。这些图像是扭曲的，倒转的或是摇摆的。,空气密度与气压、温度和水蒸气含量密切相关。,下蜃景(Inferior mir
7、ages) 出现在真实物体的下方；,上蜃景(Superior mirages)出现在真实物体的上方。,（2）光的反射和折射定律,反射线与折射线都在入射面内,注意：1） 称为媒质的绝对折射率 2）折射率较大的媒质称为光密媒质， 折射率较小的媒质称为光疏媒质 3）适用条件：反射和折射面积远大 于光波长时上述定律才成立,斯涅尔定律（W.Snell）, 介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。在同一种介质中，长波折射率小，短波的折射率大。,解:,水相对于空气的折射率为,根据折射定律，有,例题1 在水中深度为y 处有一发光点Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与QO交点 的深度 与入
8、射角 的关系,上式表明，由Q点发出的不同方向光线，折射后的延长线不再交于同一点。,但对于那些接近法线方向的光线,若忽略 的高阶小量，则,这时 与入射角 无关，即折射线的延长线近似地交与同一点 ，其深度为原发光点深度的,例2 用作图法求任意入射线在球面上的折射线,证：,（1）正弦定律于HCM,（2）三角形相似， HCM和MCH,当光线从光密媒质射向光疏媒质时，折射角大于入射角；当入射角增大到某一临界值时，折射光线消失，光线全部反射，此现象叫全反射。,2.2 全反射定律,全反射临界角：,的空气对于 的玻璃，临界角,全反射的应用-全反射棱镜,利用全反射棱镜改变光线方向，比用一般的平面镜，能量损失要小
9、得多。,参见P15图1-7,全反射的应用-光学纤维,（1）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体称为棱镜 （2）三棱镜：截面呈三角形的棱镜叫三棱镜 （3）主截面：与棱边垂直的平面叫做棱镜的主截面 （4）偏向角,2.3 棱镜与色散,折射率,求其最小值：,令,，且有,B,C,G,D,E,F,A,最小偏向角 的推导,可以得到：当,时,此时有：,带入折射定律：,有：,时，,介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。在同一种介质中，长波折射率小，短波的折射率大。一束白光入射到两种介质界面上，在折射时不同波长的光将分散开来，这种现象叫做色散。,色散,棱镜光谱仪中的色散元件色散棱镜就是利用介质的这种性质，将含
10、有多种波长的复色光分散开来。,光的可逆性原理: 当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播，称为光的可逆性原理。,思考题 习题：1-4， 1-5， 1-10，1-11，1-14,克里斯蒂安惠更斯 惠更斯： (Christian Huygens， 16291695) 荷兰物理学家、数学家、天文学家。1629年出生于海牙。1655年获得法学博士学位。,1663年成为伦敦皇家学会的第一位外国会员。克里斯蒂安惠更斯是与牛顿同一时代的科学家，是历史上最著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。,波面,波线,3.1 波的几
11、何描述 波动：扰动在空间的传播 波面： （1）在同一振源的波场中 （2）扰动同时到达的各点具有相同的位相 满足上述条件的振动轨迹称为波面或波振面。 球面波： 平面波： 波线：,波面与波线,球面波,平面波,3惠更斯原理,球面波,.,.,.,.,.,.,.,.,t + t波面,t 波面,ut,3.2 惠更斯原理的表述,S上的每一面元可以认为是次波的波源，,原理的优点： 提出了次波概念 原理的不足： 给不出新波面的强度分布 没有说明子波不向后传播的问题,惠更斯原理,3.3 惠更斯原理对反射、 折射定律的解释,如图所示,有：,设,，,则有：,即：,用惠更斯原理解释 反射定律和折射定律,3.3惠更斯原理
12、对直线传播问题的解释,几何光学的适用范围： 波长远小于空隙线度a,4费马原理,4.1 光程,均匀介质中有：,几种不同的介质中有：,折射率连续变化的媒质中：, 光在媒质中走过的光程等于 在真空中走过的几何路程,平稳（即极值：最小值、最大值或恒定值）的路径。,从Fermat原理导出。,4.2 费马原理的表述,Q、P两点间光线的实际路径，是光程（QP）为,Fermat原理是几何光学的基本原理，几何光学中的三,个重要定律直线传播定律，反射定律和折射定律都能,4.3由费马原理推导几何光学三定律,Q,P,M,（1）反射定律,其中,（2）折射定律,作,共面（ ）,考虑从Q经折射面 上任一点 到P的光线,由 作 的垂线，垂足为,考虑由Q出发经 折射到达P的光线,（I）,y,x,在 平面内，,令,故光程 总是大于光程 而非极小值。可见光程最短 的路径应在 平面内寻找，即折射光线在入射面内。,
