幾何光學基本定律

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

2、折射成像等問題，如果不用波長、位相等波動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6分，星期一幾何光學：運用光線和波面的概念，以光的幾個實驗定律以及幾何學的一些公理、定理為基礎來研究光在介質中的傳播。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6分，星期一1.1 幾何光學的基本定律一、幾何光學的基本思想1.幾何光學是波動光學在光波長趨于零的極限.2.幾何光學:把光的概念和幾何學中的點、線、面有機 地聯(lián)系起來.3.幾何光學主要研究光的傳

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紅外紅外不同波長產生不同色感第5頁，共22頁，2022年，5月20日，9點6分，星期一2. 單色光：具有單一波長的光。 3. 復色光： 不同波長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：任何一個發(fā)光體均可看成點光源的

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：某時刻光波振動的同位相點構成的面。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6分，星期一 三、幾何光學的基本定律1.光的直線傳播定律：光在均勻媒質里沿直線傳播.2.光的反射定律和折射定律第一種媒質1（空氣）第二種媒質2（玻璃或水）兩種媒質分界面分界面可大可小，在幾何光學尺度內是平面。兩種媒質1、2，都是均勻的

5、、透明的、各向同性的。一束光線由媒質1射到分界面上時，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6分，星期一 入射光線與分界面法線N構成的平面稱入射面，如圖所示，入射角i1，反射角i1，折射角i2。實驗表明：（1）反射光線與折射光線都在入射面內；（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，是一個與媒質和光的波長有關的常數(shù)。sini1/sini2=n12(常數(shù))比例常數(shù) n12稱為第二種媒質相對第一種媒質的折射率，上式有時也稱做斯涅耳定律（W，snell, 1621）snells law (snell 萊頓

6、大學教授)第10頁，共22頁，2022年，5月20日，9點6分，星期一第11頁，共22頁，2022年，5月20日，9點6分，星期一 絕對折射率：任何媒質相對于真空的折射率稱為該媒質的絕對折射率。相對折射率：第二種媒質相對第一種媒質的折射率。n12=n2/n1因為n12=n2/n1 ,因此對斯涅耳定律還可寫成如下形式：n1sini1=n2sini2光密媒質：折射率較大的媒質稱光密媒質.光疏媒質：折射率較小的媒質稱光疏媒質.第12頁，共22頁，2022年，5月20日，9點6分，星期一 3 .全反射當光線從光密媒質射向光疏媒質(n1n2 )時，由折射定律知 i1ic時，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 為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進一步討論光纖的傳輸條件。 設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6分，星期一 改變角度，不同相應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， 存在一個臨界角c。 當c時，相應的光線將在交界面折射進入包層并逐漸消失，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6分，星期一 根據(jù)這個傳播條件，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，由上式經簡單計算得到 式中=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。 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，從光源到光纖的耦合效率越高。 對于無損耗光纖，在c內的入射光都能在光纖中傳輸。 NA越大， 纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好; 但NA越大，經光纖傳

9、輸后產生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。 所以要根據(jù)實際使用場合，選擇適當?shù)腘A。 第16頁，共22頁，2022年，5月20日，9點6分，星期一 1.3 成像的基本概念與完 善成像條件一、 共軸光學系統(tǒng)與成像概念由若干個透鏡、棱鏡、平面鏡等光學元件構成的系統(tǒng)成為光學系統(tǒng)。若這些光學元件的曲率中心同在一條直線上，則稱為共軸光學系統(tǒng)。AA光軸光學系統(tǒng)第17頁，共22頁，2022年，5月20日，9點6分，星期一完善成像：如果一個點物經光學系統(tǒng)后能精確成一點像或者說，一球面波經光學系統(tǒng)后仍為一球面波，就成該系統(tǒng)可完善成像。一個實物是許多點物的集合，一個像亦為許多個像點的集合，能夠成完善像點的光學系統(tǒng)，亦能對實物完善成像。第18頁，共22頁，2022年，5月20日，9點6分，星期一二、 完善成像條件：A: 入射光為同心光束時，出射光亦為同 心光束。B: 物點（任意）及其像點間任意二光線 其光程相等。三、 物、像的虛實由實際光線相交所形成的點實物點實像點由實際光線的延長線相交所形成的點虛像點虛物點第19頁，共22頁，2022年，5月20日，9點6分，星期一實物=實物點的集合虛物=虛物點的集合實像=實像點的集合虛像=虛像點的集合AAAAAAAA第2