光學(xué)基礎(chǔ)知識簡述

1、光學(xué)基礎(chǔ)知識簡述 前前 言言 光的本質(zhì)光的本質(zhì) 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué) 第二章第二章 物理光學(xué)物理光學(xué) 第三章第三章 光電效應(yīng)光電效應(yīng)目錄3v 前言前言 光的本質(zhì)光的本質(zhì)-光學(xué)歷史光學(xué)歷史墨經(jīng)墨經(jīng)，成書于公元前，成書于公元前43世紀(jì)，其中已有對于小孔世紀(jì)，其中已有對于小孔成象、鏡面反射的描述，其中已包含了成象、鏡面反射的描述，其中已包含了 光線及其沿直線傳光線及其沿直線傳播思想，但沒有對光的本質(zhì)進(jìn)行深入的思考。播思想，但沒有對光的本質(zhì)進(jìn)行深入的思考。光學(xué)光學(xué)，前，前32世紀(jì)，歐幾里得著，已指出光在平面世紀(jì)，歐幾里得著，已指出光在平面上反射時(shí)，入射角等于反射角。其后研究了光的折射等成上反

2、射時(shí)，入射角等于反射角。其后研究了光的折射等成像規(guī)律，并制成各種光學(xué)元件。像規(guī)律，并制成各種光學(xué)元件。1672年，牛頓分光實(shí)驗(yàn)，白光中包含不同顏色的光。年，牛頓分光實(shí)驗(yàn)，白光中包含不同顏色的光。1678年，惠更斯提出波動(dòng)說。年，惠更斯提出波動(dòng)說。1704年，牛頓提出微粒說。年，牛頓提出微粒說。1905年，愛因斯坦提出了光電效應(yīng)的光量子解釋，人們年，愛因斯坦提出了光電效應(yīng)的光量子解釋，人們開始意識到光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。開始意識到光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。4概念概念：振動(dòng)在空間的傳播形成振動(dòng)在空間的傳播形成了波。在水面波中，發(fā)生了波。在水面波中，發(fā)生振動(dòng)著的是水分子的位移振動(dòng)著的

3、是水分子的位移矢量。矢量。波動(dòng)（波動(dòng)（wavewave）是一種傳）是一種傳遞振動(dòng)、傳遞能量但不傳遞振動(dòng)、傳遞能量但不傳送質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)形式。送質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)形式。v 前言前言 光的本質(zhì)光的本質(zhì)-電磁波電磁波10.1 電磁波電磁波5波的分類波的分類根據(jù)傳遞方式分為：根據(jù)傳遞方式分為： 機(jī)械波機(jī)械波 (也稱力學(xué)波 ，mechanical wave ) 電磁波電磁波 ( electromagnetic, EM, wave )根據(jù)波動(dòng)的特性分為：根據(jù)波動(dòng)的特性分為： 橫波橫波 ( Transverse Wave ) 縱波縱波( Longitudinal Wave )v 前言前言 光的本質(zhì)光的本質(zhì)-電磁波電磁波

4、26 橫波橫波 ( Transverse Wave ) 縱波縱波( Longitudinal Wave )v 前言前言 光的本質(zhì)光的本質(zhì)-電磁波電磁波37定義定義：長期以來的科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光是一種頻：長期以來的科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光是一種頻率極高的電磁波。以可見光為例，其頻率在率極高的電磁波。以可見光為例，其頻率在 赫茲（赫茲（Hz）。）。v 前言前言 光的本質(zhì)光的本質(zhì)-光波光波10.2 光波光波8 光波的數(shù)學(xué)表示光波的數(shù)學(xué)表示v 前言前言 光的本質(zhì)光的本質(zhì)-光波光波2右手定則右手定則9 波段波段 可見光的組成可見光的組成v 前言前言 光的本質(zhì)光的本質(zhì)-光波光波310v前言前言 光的本質(zhì)

5、光的本質(zhì)-光學(xué)的分類光學(xué)的分類1、幾何光學(xué)、幾何光學(xué)2、波動(dòng)光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)3、量子光學(xué)、量子光學(xué)4、現(xiàn)代光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)11v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-成立條件成立條件11.1 成立條件成立條件1. 1. 被研究對象被研究對象( (如狹縫如狹縫, ,小孔小孔, ,透鏡口徑透鏡口徑, ,擋光屏等擋光屏等) )的幾何尺寸的幾何尺寸D D遠(yuǎn)大于入射光波波長遠(yuǎn)大于入射光波波長D/D/ 1 衍射現(xiàn)象不明顯，定律適用。衍射現(xiàn)象不明顯，定律適用。D/D/ 1 衍射現(xiàn)象明顯，定律不適用。衍射現(xiàn)象明顯，定律不適用。12v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-成立條件成立條件21.1 成立條件成立條件2. 2.

6、 入射光強(qiáng)不太強(qiáng)入射光強(qiáng)不太強(qiáng)在強(qiáng)光作用下可能會出現(xiàn)新的光學(xué)現(xiàn)象。在強(qiáng)光作用下可能會出現(xiàn)新的光學(xué)現(xiàn)象。注意：幾何光學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)定律有一定的近似性、注意：幾何光學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)定律有一定的近似性、局限性。局限性。強(qiáng)光折射引起自聚焦13v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-光線的表示光線的表示11.2 光線的表示光線的表示13光線光線 ：光能量的傳播方向的幾何線。光能量的傳播方向的幾何線。 S理想模型理想模型：不是細(xì)光束：不是細(xì)光束均勻各向同性介質(zhì)均勻各向同性介質(zhì)：直線：直線非均勻介質(zhì)非均勻介質(zhì)：曲線：曲線這一章是研究光在均勻介質(zhì)中的傳播和成像問題。這一章是研究光在均勻介質(zhì)中的傳播和成像問題。14v 第

7、一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-光線的表示光線的表示2光束與波面光束與波面典型有：平行光束、同心光束（會聚或發(fā)散）和象散典型有：平行光束、同心光束（會聚或發(fā)散）和象散光束。光束。子午子午焦線焦線弧矢弧矢焦線焦線15v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理1直線傳播定理：光在均勻介質(zhì)中沿直線路直線傳播定理：光在均勻介質(zhì)中沿直線路經(jīng)行進(jìn)。經(jīng)行進(jìn)。( 忽略衍射現(xiàn)象忽略衍射現(xiàn)象 )1.3 基本定理基本定理16v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理2光在非均勻介質(zhì)中的傳播光在非均勻介質(zhì)中的傳播17v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理3光的獨(dú)立傳播定律：光的獨(dú)立傳播

8、定律：以不同的途徑傳播的光同時(shí)在空間某點(diǎn)通過時(shí)，彼此互不影響，各路光好像其他光線不存在似地獨(dú)立傳播。而在各路光相遇處，其光強(qiáng)度是簡單地相加，總是增強(qiáng)的。( 忽略干涉現(xiàn)象 )注意：光不能太強(qiáng)18v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理4反射與折射定律反射與折射定律反射定理：反射定理：光線在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射，反射光線在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射，反射角等于入射角。角等于入射角。1122sinsininin 斯涅耳公式斯涅耳公式折射定理：折射定理：光線在兩種介質(zhì)的光線在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生折射，折射角與入分界面上發(fā)生折射，折射角與入射角滿足關(guān)系射角滿足關(guān)系II 19v 第一章

9、第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理5光的反射與折射光的反射與折射v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理6絕對折射率vcrinsinsin一種介質(zhì)相對于真空的折射率一種介質(zhì)相對于真空的折射率vcn/其中其中 ，折射率不僅與介質(zhì)有，折射率不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與光的頻率有關(guān)。關(guān)，還與光的頻率有關(guān)。稱為稱為絕對折射率，簡稱折射率。絕對折射率，簡稱折射率。根據(jù)折射率大小，介質(zhì)可分為光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)。根據(jù)折射率大小，介質(zhì)可分為光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)。2021v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理7介 質(zhì)折 射 率介 質(zhì)折 射 率金剛石2.42水1.33玻 璃1.50 1.7

10、5酒 精1.36水 晶1.54 1.56乙 醚1.35巖 鹽1.54水蒸氣1.026冰1.31空 氣1.0003幾種介質(zhì)的折射率幾種介質(zhì)的折射率 22v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理8全反射定理：當(dāng)光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)全反射定理：當(dāng)光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)中，當(dāng)入射角大于一定值，光線全部返回光密介中，當(dāng)入射角大于一定值，光線全部返回光密介質(zhì)中，返回光線遵循反射定理。質(zhì)中，返回光線遵循反射定理。入射角稱臨界角： nC190sinsin 23v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理9全反射的應(yīng)用全反射的應(yīng)用 全反射棱鏡 光學(xué)纖維24v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理10光路可逆定理光路可逆定理光線傳播的可逆性光線傳播的可逆性 令 CO 為入射光線，則 OA 為反射光線（反射定律） 令 BO 為入射光線，則 OA 為折射光線（折射定律）由此說明光的傳播是可逆的，即光路的可逆性。（3）25v 第一章第一章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)-基本定理基本定理12費(fèi)馬定理：光從空間的一點(diǎn)到另一點(diǎn)，是延光程極費(fèi)馬定理：光從空間的一點(diǎn)到另一點(diǎn)，是延光程極值的路