光學(xué)新概念第一章

光學(xué)新概念第一章第一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日§1光和光的傳播1、萌芽時(shí)期(公元前5世紀(jì)～公元15世紀(jì)末)

人眼發(fā)出的觸須樣；物體發(fā)出的——爭(zhēng)論…2、幾何光學(xué)時(shí)期(AC16～AC18世紀(jì))

微粒說；波動(dòng)說；微粒說占上風(fēng)——因?yàn)榕ｎD太偉大了……

3、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期

(AC19～20世紀(jì)初)1865，麥克斯韋方程：電磁波波速為C→光也是電磁波

1888，赫茲實(shí)驗(yàn)：彈性媒質(zhì)以太中的橫波

★成就：光與電磁波統(tǒng)一，自然現(xiàn)象相互聯(lián)系的辯證思想，對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。

★遺留問題：以太的問題；光波到底是什么波？

第一章光和光的傳播一、光的本性(緒論)第二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4、量子光學(xué)時(shí)間（1900～1960）①光的粒子性黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等②光的波動(dòng)性大量的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象③德布羅意物質(zhì)波每一物質(zhì)粒子都與一定波相聯(lián)系戴維孫——革未電子衍射實(shí)驗(yàn)1927年④光的波粒二象性

E=hν

；

P=h/λ⑤玻恩

1925年，波粒二象性的幾率解釋——概率波5、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期(20世紀(jì)60年代開始)關(guān)于光的本性——···至今答案沒有令人滿意的答案

第三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、熱輻射

2、光的非熱發(fā)射★溫度輻射——在一定溫度下處于熱平衡狀態(tài)物體的輻射★電致發(fā)光——電場(chǎng)補(bǔ)給能量……日光燈★熒光——電磁波或電子束作用下……電子顯象管★磷光——受電磁波或電子束作用后的持續(xù)發(fā)光……夜光表指針★化學(xué)發(fā)光——化學(xué)反應(yīng)……“鬼火”★生物發(fā)光——特殊類型的化學(xué)反應(yīng)……螢火蟲⑴一些基本概念二、光源與光譜第四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日★光速——常數(shù)★單色光——譜線寬度：★可見光:波長(zhǎng)范圍可見光：390~760nm；頻率范圍：

連續(xù)光譜

線光譜

第五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日★復(fù)色光——譜密度元素譜線波長(zhǎng)/nm顏色鈉（Na）589.0，589.6黃（D雙線）汞（Hg）404.7，407.8435.8546.1（最強(qiáng)）577.0，579.1紫藍(lán)綠黃鎘（Cd）634.8紅氪（Kr）605.7橙典型譜線

第六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日⑵光強(qiáng)度★坡印亭矢量：電磁波的能流密度、平面電磁波是橫波

平面電磁波是橫波★坡印亭矢量的大小

★關(guān)系式第七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日★光強(qiáng)度——波動(dòng)觀點(diǎn)

——電磁波的平均能流密度S所以，通常只寫：←對(duì)同一介質(zhì)

第八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、幾何光學(xué)

線直線傳播、反射、折射、成像

……應(yīng)用光學(xué)2、波動(dòng)光學(xué)

波干涉、衍射、偏振、光速—介質(zhì)波3、量子光學(xué)粒子黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)

——光子……

德布羅意波—概率波……波粒二象性4、現(xiàn)代光學(xué)光子學(xué)激光、光纖通信、非線性光學(xué)集成光學(xué)、信息光學(xué)、超快速光學(xué)……●光子計(jì)算機(jī)并行、寬帶、高速、準(zhǔn)確……夢(mèng)

三、光學(xué)的研究對(duì)象、分支與應(yīng)用(緒論課已經(jīng)詳細(xì)討論)第九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日§2光的幾何光學(xué)傳播規(guī)律

1、直線傳播定律：各向同性均勻介質(zhì)

物體的影子

針孔成像

一、幾何光學(xué)三定律第十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日2、反射定律①與

n無關(guān)；無色散。即不同，同一入射角，則，反射角i’

相同

則，對(duì)稱：光路可逆③漫反射現(xiàn)象之解釋(1)文字表述（略）(2)數(shù)學(xué)表式(3)討論：

光的反射與折射

第十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日(3)討論②光疏媒質(zhì)與光密媒質(zhì)之相對(duì)性③全反射:條件→3、折射定律(2)數(shù)學(xué)表式(1)文字表述（略）；①色散現(xiàn)象光纖通信原理→全反射(4)應(yīng)用：改變光路方向：航天器、精密光學(xué)儀器等

光的折射

第十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、全反射⑴當(dāng)入射角達(dá)到某一值（臨界角）時(shí)，不再有折射光而全部被反射——全反射，其臨界角的大小為⑵利用全反射改變光路在生產(chǎn)和科研上有廣泛的應(yīng)用。⑶光纖通信就是利用全反射原理

全反射二、全反射光學(xué)纖維（光導(dǎo)纖維）

第十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日2、光導(dǎo)纖維——光學(xué)纖維⑴原理：全反射⑵結(jié)構(gòu)：纖芯的折射率大于包層的照射率

光導(dǎo)纖維的原理

第十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日利用全反射棱鏡改變光路

3、利用全反射改變光路第十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

光在漸變折射率介質(zhì)中傳播

4、光在漸變折射率介質(zhì)中傳播——海市蜃樓第十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

光在漸變折射率介質(zhì)中傳播有幾何關(guān)系，得則得最后得

第十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、色散：折射角隨波長(zhǎng)而不同——

色散光譜2、三棱鏡：橫截面是三角形棱鏡3、三棱鏡的最小偏向角

三棱鏡的折射

三、棱鏡與色散★當(dāng)★有第十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日③四邊形AEOFA4、最小偏向角的求法④在中

三棱鏡的折射①在中

②在中第十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日★α為定值,則

★極值條件,則三棱鏡的折射←最小偏向角

第二十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日★根據(jù)折射定律：

第二十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日因此必須★由★得

★得

★由★帶入得

第二十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

三棱鏡的折射5、三棱鏡折射率、頂角與最小偏向角的關(guān)系

★此時(shí)，入射光與出射光對(duì)稱，棱鏡內(nèi)光線與棱鏡底邊平行第二十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日6、棱鏡作用(2)色散——

重要的分光元件兩類光譜儀之一(1)改變光路——

科研、軍事、生產(chǎn)、航天等

三棱鏡的色散

第二十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日四、光路的可逆性原理

光路的可逆性原理

第二十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日§3惠更斯原理1、光線

：光能量的傳播方向的幾何線

理想模型：不是細(xì)光束2、波面：光波相位相等各點(diǎn)構(gòu)成的面．波前：最前面的那個(gè)波面

均勻各向同性介質(zhì)：直線非均勻介質(zhì)：曲線3、單心（同心）光束

物點(diǎn)為頂點(diǎn)的發(fā)散光束，其波面為球面

物點(diǎn)為頂點(diǎn)的發(fā)散光束

一、波的幾何描述第二十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日波面與波線

第二十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日二、惠更斯原理的表述三、惠更斯原理對(duì)反射定律和折射定律的解釋（煩瑣：略去P16-17）惠更斯原理

次波OR

子波

第二十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

用惠更斯原理解釋光直進(jìn)性

四、直線傳播問題大孔徑障礙物光的傳播方向第二十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日用惠更斯原理可以定性解釋光的衍射

五、光的衍射問題衍射問題衍射問題小孔徑障礙物光的傳播方向第三十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日水波的衍射——開孔越小，衍射現(xiàn)象越明顯

第三十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日§4費(fèi)馬原理

定義：光在介質(zhì)中的幾何路徑長(zhǎng)度與該介質(zhì)折射率的乘積光程

一、光程第三十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、文字表述：光沿著所需時(shí)間為極值的方向傳播。

或：光沿著光程為極值的方向傳播。2、數(shù)學(xué)表述：實(shí)際路徑上，時(shí)間變分為零

極值極大極小恒定或?qū)嶋H路徑上，光程變分為零費(fèi)馬原理

二、費(fèi)馬原理的表述第三十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、反射定律由費(fèi)馬原理推導(dǎo)反射定律

三、由費(fèi)馬原理推導(dǎo)

幾何光學(xué)三定律★假設(shè)在入射面內(nèi)有兩條光線：QM′P和QM′P顯然，光程QMP≤QM′P★

即QMP最短！★由于鏡像對(duì)稱，有光程

QM′P≡QM′P′（1）定性證明反射定律第三十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日設(shè)光源面上接收器面上XOZ面上入射點(diǎn)面上，即分界面是XOY面（2）定量證明反射定律光源接收器入射點(diǎn)

應(yīng)用費(fèi)馬原理證明反射定律

第三十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日總光程①由

得

即

②由

得

而

光源接收器入射點(diǎn)即

則

應(yīng)用費(fèi)馬原理證明反射定律

第三十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日2、折射定律由費(fèi)馬原理推導(dǎo)折射定律

★兩條物像光線QM′P；QMP★顯然，光程QM≤QM′

PM≤PM′★

即QMP最短！★設(shè)：QQ′⊥分界面Σ；PP′⊥分界面Σ★注意M′M⊥

Q′P′（1）定性證明折射定律第三十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日由費(fèi)馬原理推導(dǎo)折射定律

★物像光程：QMP為★得（2）定量證明折射定律第三十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日§5光度學(xué)基本概念1、輻射通量（客觀量）⑴定義：文字表述…；單位：瓦（W）；符號(hào)ψ=ψ

(λ)⑵

附近內(nèi)：為輻射通量譜密度⑶

一、輻射通量和光通量（主、客觀量）

光源表面☆光度學(xué)☆輻射度量學(xué)研究發(fā)光強(qiáng)弱的學(xué)科…；研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科…；第三十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

2、光譜的響應(yīng)曲線（光電儀器）客觀輻射通量引起光電儀器（不同器件）響應(yīng)靈敏度的物理量不同光電器件的響應(yīng)靈敏度第四十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日3、視見函數(shù)（客、主觀量）⑵視見函數(shù)的表式⑴含義：客觀輻射通量引起人眼主觀視覺強(qiáng)度的物理量/?

視見函數(shù)曲線

第四十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日/nm

輻射能量對(duì)波長(zhǎng)的分布函數(shù)

視見函數(shù)曲線大自然的造化！

/?第四十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1瓦特555nm的(客觀)輻射通量相當(dāng)于683流明的光通量(主、客觀量)

(1)定義：輻射通量與視見函數(shù)的乘積；單位：流明；符號(hào):

lm

；(2)數(shù)學(xué)表式最大光譜光視效能

(最大功光當(dāng)量)Km的物理意義/nm輻射能量對(duì)波長(zhǎng)的分布函數(shù)(3)光譜光視效能——功光當(dāng)量4、光通量Φ

(客、主觀量)

第四十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日*(5)電光源（輻射體）發(fā)光效率——遍計(jì)發(fā)光效率*(4)光源的光通量表式★單色光★復(fù)色光

第四十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日★用I

表示，單位是坎德拉（cd

），簡(jiǎn)稱“坎”

1、含義：光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出光通量的空間分布（客、主觀量）2、量度方法：點(diǎn)光源在單位立體角中發(fā)出的光通量的數(shù)值★數(shù)學(xué)表式I應(yīng)當(dāng)是可以測(cè)量●發(fā)光強(qiáng)度是SI制7個(gè)基本物理量之一發(fā)光強(qiáng)度物理意義

二、發(fā)光強(qiáng)度與亮度第四十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日電燈發(fā)光強(qiáng)度的角分布

第四十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日●發(fā)光強(qiáng)度數(shù)學(xué)表式●立體角的計(jì)算方法球坐標(biāo)下立體角的求法立體角的幾何意義

第四十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日●點(diǎn)光源（沿某一i

方向）的發(fā)光強(qiáng)度球坐標(biāo)下立體角的求法

第四十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日⑴1881年,“燭光”，國(guó)家電工技術(shù)委員會(huì)（用蠟燭發(fā)光）⑵1909年，“國(guó)際燭光”，英法美協(xié)議，白熾燈⑶1937年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM），

規(guī)定“新燭光”：1940.1.1執(zhí)行⑷1948年，第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)。規(guī)定“坎德拉”為發(fā)光強(qiáng)度單位⑸我國(guó)1979年，建立鉑凝固點(diǎn)黑體光度基準(zhǔn)，±0.3%

3、光度學(xué)基準(zhǔn)的界定及其演變

——燭光——發(fā)光強(qiáng)度

第四十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日坎德拉是頻率為的單色輻射源，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，在該方向上的輻射強(qiáng)度為1/683瓦特/球面度。（W/sr）——（主、客觀量）

注：540.0154Hz的輻射在空氣中波長(zhǎng)為550nm，即黃綠光4、發(fā)光強(qiáng)度——坎德拉的最新定義（1979年10月，第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過）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)輻射通量相當(dāng)于683流明的光通量

第五十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、定義★發(fā)光面法線方向上單位面積之發(fā)光強(qiáng)度★亮度的單位：熙提（sb）即：流明每平方米球面度★亮度——主客觀量：發(fā)光表面的發(fā)光強(qiáng)度分布

亮度的含義2、計(jì)算：r方向上的亮度第五十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、余弦發(fā)光體★朗伯定律●朗伯光源的含義●朗伯光源的物理意義:各個(gè)方向的亮度相同即：L與

無關(guān)

三、余弦發(fā)光體和定向發(fā)光體●朗伯光源也就是余弦發(fā)光體朗伯光源的亮度第五十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

球面朗伯光源的亮度2、朗伯光源亮度的計(jì)算★按照亮度的定義

★朗伯定律★球面朗伯光源dS，其法線方向亮度為（1）球面朗伯光源的亮度

第五十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

球面朗伯光源的亮度★得球面朗伯光源的亮度

★結(jié)論——球面朗伯光源的亮度與方向無關(guān)！

★任意方向（比如，與赤道平面垂直方向）亮度為★按照朗伯定律和第五十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日平面朗伯光源的亮度（2）平面朗伯光源亮度的計(jì)算★法線方向亮度的計(jì)算★任意方向亮度的計(jì)算★按照朗伯定律

★結(jié)論——平面朗伯光源的亮度也與方向無關(guān)