光学新概念第一章

第一章 光和光的传播§2 光的几何光学传播规律§3 光的波动光学传播基础惠更斯原理§4 费马原理§5 光度学基本概念§1 光和光的传播§1 光和光的传播1、萌芽时期 (公元前5世纪公元15世纪末)人眼发出的触须样；物体发出的争论2、几何光学时期 (AC16AC18世纪)微粒说；波动说；微粒说占上风因为牛顿太伟大了3、波动光学时期 (AC1920世纪初)1865，麦克斯韦方程：电磁波波速为C光也是电磁波1888，赫兹实验： 弹性媒质以太中的横波成就：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思 想，对光的本性认识前进了一大步。 遗留问题：以太的问题；光波到底是什么波？第一章 光和光的传播一、光的本性(绪论)4、量子光学时间（19001960）光的粒子性 黑体辐射、光电效应、康普顿效应等 光的波动性 大量的干涉、衍射、偏振现象 德布罗意物质波 每一物质粒子都与一定波相联系戴维孙革未电子衍射实验 1927年 光的波粒二象性 E=h ； P=h/ 玻恩 1925年，波粒二象性的几率解释概率波5、现代光学时期 (20世纪60年代开始) 关于光的本性···至今答案没有令人满意的答案1、热辐射2、光的非热发射温度辐射在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射电致发光电场补给能量日光灯荧光电磁波或电子束作用下电子显象管磷光受电磁波或电子束作用后的持续发光夜光表指针化学发光化学反应“鬼火”生物发光特殊类型的化学反应萤火虫 一些基本概念二、光源与光谱光速常数单色光谱线宽度： 可见光:波长范围可见见光：390 760 nm；频率范围： 连续光谱 线光谱复色光谱密度元素谱线波长/nm颜色钠钠（Na）589.0，589.6黄（D双线线） 汞（Hg）404.7，407.8 435.8 546.1（最强） 577.0，579.1紫 蓝蓝 绿绿 黄 镉镉（Cd）634.8红红 氪氪（Kr）605.7橙典型谱线 光强度坡印亭矢量：电磁波的能流密度、平面电磁波是横波平面电磁波是横波坡印亭矢量的大小 关系式光强度波动观点电磁波的平均能流密度S所以，通常只写：对同一介质1、几何光学 线 直线传播、反射、折射、成像应用光学 2、波动光学 波 干涉、衍射、偏振、光速介质波 3、量子光学 粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应光子德布罗意波概率波波粒二象性 4、现代光学 光子学 激光、光纤通信、非线性光学 集成光学、信息光学、超快速光学 光子计算机 并行、宽带、高速、准确 梦三、光学的研究对象、分支与应用 (绪论课已经详细讨论)§2 光的几何光学传播规律1、直线传播定律：各向同性均匀介质物体的影子 针孔成像一、几何光学三定律2、反射定律 与 n 无关；无色散。 即不同，同一入射角， 则，反射角i 相同 则 ，对称：光路可逆 漫反射现象之解释(1) 文字表述（略）(2) 数学表式(3) 讨论：光的反射与折射(3) 讨论 光疏媒质与光密媒质之相对性 全反射: 条件3、折射定律(2) 数学表式(1) 文字表述（略）； 色散现象光纤通信原理全反射(4) 应用：改变光路方向：航天器、精密光学仪器等 光的折射1、全反射 当入射角达到某一值 （临界角）时，不再有折 射光而全部被反射全 反射，其临界角的大小为 利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。 光纤通信就是利用全反射原理全反射二、全反射 光学纤维（光导纤维）2、光导纤维 光学纤维 原理：全反射 结构：纤芯的折射 率大于包层的照射率光导纤维的原理利用全反射棱镜改变光路3、利用全反射改变光路光在渐变折射率介质中传播4、光在渐变折射率介质中传播海市蜃楼光在渐变折射率介质中传播有几何关系，得则得最后得1、色散：折射角随波长而不同 色散光谱 2、三棱镜：横截面是三角形棱镜3、三棱镜的最小偏向角三棱镜的折射三、棱镜与色散当有四边形 AEOFA4、最小偏向角的求法 在 中 三棱镜的折射 在 中 在 中 为定值,则 极值条件,则 三棱镜的折射最小偏向角根据折射定律：因此必须由 得 得 由 带入得 三棱镜的折射5、三棱镜折射率、顶角与最小偏向角的关系此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行 6、棱镜作用(2) 色散 重要的分光元件两类光谱仪之一(1) 改变光路 科研、军事、生产、航天等 三棱镜的色散四、光路的可逆性原理光路的可逆性原理§3 惠更斯原理1、光线 ：光能量的传播方向的几何线 理想模型：不是细光束2、波面：光波相位相等各点构成的面波前：最前面的那个波面 均匀各向同性介质：直线 非均匀介质：曲线3、单心（同心）光束物点为顶点的发散光束，其波面为球面物点为顶点的发散光束一、波的几何描述波面与波线二、惠更斯原理的表述三、惠更斯原 理对反射定律 和折射定律的 解释（烦琐： 略去P16-17）惠更斯原理次波OR子波用惠更斯原理解释光直进性四、直线传播问题大孔径障碍物光的传播方向用惠更斯原理可以定性解释光的衍射五、光的衍射问题衍射问题衍射问题小孔径障碍物光的传播方向水波的衍射开孔越小，衍射现象越明显§4 费马原理定义： 光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积光程一、光程1、文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。或： 光沿着光程为极值的方向传播。2、数学表述： 实际路径上，时间变分为零 极 值极大 极小 恒定或 实际路径上，光程变分为零 费马原理二、费马原理的表述1、反射定律由费马原理推导反射定律三、由费马原理推导 几何光学三定律假设在入射面内有两条 光线：QMP 和QMP显然，光程 QMPQMP 即QMP最短！由于镜像对称，有光程QMP QMP（1）定性证明 反射定律设光源 面上 接收器 面上 XOZ 面上入射点 面上，即分界面是 XOY 面（2）定量证明 反射定律光源接收器入射点应用费马原理证明反射定律总光程 由 得 即 由 得 而 光源接收器入射点即 则 应用费马原理证明反射定律2、折射定律由费马原理推导折射定律两条物像光线 QMP ；QMP显然， 光程 QM QMPM PM 即QMP最短！设： QQ分界面； PP 分界面注意 MM QP（1）定性证明折射定律由费马原理推导折射定律物像光程： QMP为 得（2）定量证明 折射定律§5 光度学基本概念1、辐射通量（客观量） 定义：文字表述；单单位：瓦（W ）；符号= () 附近 内： 为辐辐射通量谱谱密度一、辐射通量和光通量（主、客观量）光源表面光度学辐射度量学研究发光强弱的学科；研究各种电磁辐射强弱的学科；2、光谱的响应曲线 （光电仪器）客观辐射通量引起光电仪器（不同器件）响应灵敏度的物理量不同光电器件的响应灵敏度3、视见函数 （客、主观量） 视见函数的表式 含义：客观辐射通量引起人眼主观视觉视觉 强度的物理量/Å视见函数曲线 /nm辐射能量对波长的分布函数 视见函数曲线 大自然的造化！/Å1瓦特555nm的(客观)辐射 通量相当于683流明的光通 量(主、客观量) (1) 定义：辐射通量与视见函数的乘积；单单位：流明 ；符号: lm ；(2) 数学表式最大光谱光视效能 (最大 功光当量) Km的物理意义义/nm辐射能量对波长的分布函数(3) 光谱光视效能 功光当量4、光通量 (客、主观量)*(5)电光源（辐射体）发光效率 遍计发光效率*(4) 光源的光通量表式单色光复色光用 I 表示，单位是 坎德拉（cd ），简称“坎”1、含义：光源在一定方向范围内发出光通量的空间分布（客、主观量）2、量度方法：点光源在单位立体角中发出的光通量的数值数学表式I 应当是可以测量发光强度是SI制7个基本物理量之一发光强度物理意义二、发光强度与亮度电灯发光强度的角分布发光强度数学表式立体角的计算方法球坐标下立体角的求法立体角的几何意义点光源（沿某一 i 方向）的发光强度球坐标下立体角的求法 1881年,“烛光”，国家电工技术委员会（用蜡烛发光） 1909年，“国际烛光”，英法美协议，白炽灯 1937年，国际计量委员会（CIPM），规定“新烛光”：1940.1.1执行 1948年，第九届国际计量大会。规定“坎德拉”为发光强度单位 我国1979年，建立铂铂凝固点黑体光度基准，±0.3% 3、光度学基准的界定及其演变烛光发光强度坎德拉是频率为 的单色辐射源， 在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为 1/683 瓦特/ 球面度。（W/sr）（主、客观量）注：540.0154Hz的辐射在空气中波长为550nm，即黄绿光4、发光强度坎德拉的最新定义（1979年10月，第十届国际计量大会通过）1（cd）坎德拉=1/683瓦特/ 球面度（W/sr） (555nm) =1流明/ 球面度（lm/sr） (555nm) 1(W)瓦特(555nm)辐射通量相当于683流明的光通量1、定义发光面法线线方向上单单位面积积之发发光强度亮度的单位：熙提（sb） 即：流明每平方米球面度亮度主客观量：发光表面的发光强度分布亮度的含义 2、计算：r 方向上的亮度1、余弦发光体朗伯定律朗伯光源的含义 朗伯光源的物理意义:各个方向的亮度相同即：L 与 无关 三、余弦发光体和定向发光体朗伯光源也就是余弦 发光体朗伯光源的亮度 球面朗伯光源的亮度 2、朗伯光源亮度的计算按照亮度的定义 朗伯定律球面朗伯光源dS， 其法线方向亮度为（1）球面朗伯光源的亮度 球面朗伯光源的亮度 得球面朗伯光源的亮度 结论球面朗伯光源的亮度与方向无关！ 任意方向（比如，与赤 道平面垂直方向）亮度为 按照朗伯定律和平面朗伯光源的亮度 （2）平面朗伯光源亮度的计算法线方向亮度的计算任意方向亮度的计算按照朗伯定律 结论平面朗伯光源的亮度也与方向无关！ 3、定向发光体激光器的亮度 激光的准直度非常好激光的亮度HeNe激光器激光亮度是太阳表面的1万倍！单位：勒克斯（Lx），旧称 辐透（ph）；1、定义：入射在被照物单位面积上的光通量2、计算1点光源的照度客，主观量；物面照度，像面照度；光源出射度 四、照度被点光源照射物的照度 计算2面光源的照度（P28）被面光源照射物的照度 例题5的问题大盘光源上dS对被照面元dS的光通量大盘光源上环带对被照面元dS的光通量大盘光源整个对被照面元dS的光通量大盘光源整个对在圆盘轴线上的照度为 光的三原色：红 绿 蓝 光的三原色 青色品红红的补补色：绿黄的补补色： 蓝青的补补色： 红红光的三补色原理青色光的三补色：青 品红 黄END1-1 本次作业（ P34 ）4；13；26普通照相的胶卷是负片 ，其彩色成像的感光颜 色是采用三补色；电影 胶片、幻灯片和录象磁 带采用的是三原色，所 以电影胶片又叫正片或 反转片！