幾何光學(xué)基本定律

1、幾何光學(xué)基本定律第1頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一幾何光學(xué)是以光的直線傳播為根據(jù)來研究光線在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如成象，反射，折射.,各種光線儀器是以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。幾何光學(xué)也在這些儀器的改進(jìn)和發(fā)展中得到發(fā)展.理論和實(shí)踐是分不開的。幾何光學(xué)研究了光的表觀現(xiàn)象，沒有涉及光的本性。關(guān)于光的本性將在這章和近代物理有關(guān)章節(jié)加以討論。本章主要從波動(dòng)性了討論光現(xiàn)象的一些規(guī)律:干涉，衍射，偏振.，故稱為波動(dòng)光學(xué)。光具有波粒二象性，光波是電磁波的一部分，其波長(zhǎng)范圍為,為人們視覺所感覺到,包含7種顏色，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的為紅光，波長(zhǎng)最短的為紫光。 在波面線度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，研究光的反射、

2、折射成像等問題，如果不用波長(zhǎng)、位相等波動(dòng)概念而代之以光線和波面等概念，并用幾何的方法來研究，將更為方便。第2頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一幾何光學(xué)：運(yùn)用光線和波面的概念，以光的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)定律以及幾何學(xué)的一些公理、定理為基礎(chǔ)來研究光在介質(zhì)中的傳播。光線表示光波傳播方向的帶箭頭的幾何線波面光波相位相同的面。波面是垂直于光線的平面或者曲面。 第3頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一1.1 幾何光學(xué)的基本定律一、幾何光學(xué)的基本思想1.幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在光波長(zhǎng)趨于零的極限.2.幾何光學(xué):把光的概念和幾何學(xué)中的點(diǎn)、線、面有機(jī) 地聯(lián)系起來.3.幾何光學(xué)主要研究光的傳

3、播規(guī)律和成像原理.第4頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一二、光波與光線1.光是一種電磁波，其在空間的傳播和在界面的行為 遵從電磁波的一般規(guī)律。 (m )0.05m0.400.762.010500紫外可見近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外紅外不同波長(zhǎng)產(chǎn)生不同色感第5頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一2. 單色光：具有單一波長(zhǎng)的光。 3. 復(fù)色光： 不同波長(zhǎng)的單色光混合而成的光。棱鏡光柵激光濾光片第6頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一4.光源： 能夠輻射光能量的物體。如日光燈、 太陽、白熾燈、碘鎢燈、鈉燈、激光器等。發(fā)光體：任何一個(gè)發(fā)光體均可看成點(diǎn)光源的

4、集合。物體平面波球面波球面波第7頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一 5.光線：自光源出發(fā)、攜帶著能量具有方向的幾何 線，光線的方向即為光波傳播的方向。6.波面：某時(shí)刻光波振動(dòng)的同位相點(diǎn)構(gòu)成的面。平面波：波面為垂直于光線的平面。 球面波：波面為一點(diǎn)光源為心的球面。 任意曲面波：波面為任意曲面的光波面。第8頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一 三、幾何光學(xué)的基本定律1.光的直線傳播定律：光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播.2.光的反射定律和折射定律第一種媒質(zhì)1（空氣）第二種媒質(zhì)2（玻璃或水）兩種媒質(zhì)分界面分界面可大可小，在幾何光學(xué)尺度內(nèi)是平面。兩種媒質(zhì)1、2，都是均勻的

5、、透明的、各向同性的。一束光線由媒質(zhì)1射到分界面上時(shí)，在一般情況下它將分解為兩束光線，即反射光線和折射光線。第9頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一 入射光線與分界面法線N構(gòu)成的平面稱入射面，如圖所示，入射角i1，反射角i1，折射角i2。實(shí)驗(yàn)表明：（1）反射光線與折射光線都在入射面內(nèi)；（2）反射角等于入射角i1=i1；（3）折射角與入射角正弦之比與入射角無關(guān)，是一個(gè)與媒質(zhì)和光的波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)。sini1/sini2=n12(常數(shù))比例常數(shù) n12稱為第二種媒質(zhì)相對(duì)第一種媒質(zhì)的折射率，上式有時(shí)也稱做斯涅耳定律（W，snell, 1621）snells law (snell 萊頓

6、大學(xué)教授)第10頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一第11頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一 絕對(duì)折射率：任何媒質(zhì)相對(duì)于真空的折射率稱為該媒質(zhì)的絕對(duì)折射率。相對(duì)折射率：第二種媒質(zhì)相對(duì)第一種媒質(zhì)的折射率。n12=n2/n1因?yàn)閚12=n2/n1 ,因此對(duì)斯涅耳定律還可寫成如下形式：n1sini1=n2sini2光密媒質(zhì)：折射率較大的媒質(zhì)稱光密媒質(zhì).光疏媒質(zhì)：折射率較小的媒質(zhì)稱光疏媒質(zhì).第12頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一 3 .全反射當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)(n1n2 )時(shí)，由折射定律知 i1ic時(shí)，折射光線消失，光線全部反射，這

7、種現(xiàn)象稱全反射。第13頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一突變型多模光纖的光線傳播原理數(shù)值孔徑 為簡(jiǎn)便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。 設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1， 纖芯中心軸線與z軸一致， 如下圖。 光線在光纖端面以小角度從空氣入射到纖芯(n0n2)。 第14頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一 改變角度，不同相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。 根據(jù)全反射原理， 存在一個(gè)臨界角c。 當(dāng)c時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。 由此可見，只有在半錐角為c的圓

8、錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。 第15頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一 根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角c的正弦為數(shù)值孔徑(Numerical Aperture, NA)。根據(jù)定義和斯涅耳定律 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 n0=1，由上式經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到 式中=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對(duì)折射率差。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或c)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。 對(duì)于無損耗光纖，在c內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。 NA越大， 纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好; 但NA越大，經(jīng)光纖傳

9、輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱螅蚨拗屏诵畔鬏斎萘俊?所以要根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。 第16頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一 1.3 成像的基本概念與完 善成像條件一、 共軸光學(xué)系統(tǒng)與成像概念由若干個(gè)透鏡、棱鏡、平面鏡等光學(xué)元件構(gòu)成的系統(tǒng)成為光學(xué)系統(tǒng)。若這些光學(xué)元件的曲率中心同在一條直線上，則稱為共軸光學(xué)系統(tǒng)。AA光軸光學(xué)系統(tǒng)第17頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一完善成像：如果一個(gè)點(diǎn)物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后能精確成一點(diǎn)像或者說，一球面波經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后仍為一球面波，就成該系統(tǒng)可完善成像。一個(gè)實(shí)物是許多點(diǎn)物的集合，一個(gè)像亦為許多個(gè)像點(diǎn)的集合，能夠成完善像點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，亦能對(duì)實(shí)物完善成像。第18頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一二、 完善成像條件：A: 入射光為同心光束時(shí)，出射光亦為同 心光束。B: 物點(diǎn)（任意）及其像點(diǎn)間任意二光線 其光程相等。三、 物、像的虛實(shí)由實(shí)際光線相交所形成的點(diǎn)實(shí)物點(diǎn)實(shí)像點(diǎn)由實(shí)際光線的延長(zhǎng)線相交所形成的點(diǎn)虛像點(diǎn)虛物點(diǎn)第19頁，共22頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)6分，星期一實(shí)物=實(shí)物點(diǎn)的集合虛物=虛物點(diǎn)的集合實(shí)像=實(shí)像點(diǎn)的集合虛像=虛像點(diǎn)的集合AAAAAAAA第2