国家精品课程讲义-山东大学-光学-第一章-几何光学

@sdu.edu.cn光学国家精品课程国家“十一五”规划教材山东大学信息学院光学系蔡履中2009,9主讲绪论第一章@sdu.edu.cn绪论绪绪论论光学是一门古老而又年轻的学科.其悠久的历史几乎和人类文明史本身一样久远；近半个世纪以来，它又以令人炫目的发展速度、奇迹般层出不穷的研究成果以及所蕴含的巨大潜力和希望，使自己跻身于现代科学技术的前沿.在全面展开对光学基本知识的讨论之前，了解一下光学的概貌及发展过程将有所裨益，尽管这种介绍只能是相当粗糙而简略的.1-1-1/[e-mail]绪论一、光学的研究范畴光现象：光的本性、传播、与物质的相互作用光是电磁波10－1410－1210－1010－810－610－410－21102λ(m)γ射线X射线紫外线红外线微波无线电波紫蓝青绿黄橙红390500600760λ(nm)可见光c=3.0×108m/s1nm=10-9mnm－nanometercνλ=电磁波谱ν=7.7~3.9×1014Hz1-1-2/[e-mail]@sdu.edu.cn绪论分分类类几何光学：光线概念、几何光学三定律为基础物理光学:干涉衍射偏振λ/a→0过渡到几何光学波动光学:量子光学:连续波，以经典电磁理论为基础光子概念为基础；发射、吸收、激光、光与物质作用1-1-4/[e-mail]绪论二、光学发展简史二、光学发展简史欧几里得（前三世纪）：反射定律；阿基米德：镜子烧坏船舰的传说；沈括《梦溪笔谈》：11世纪，光的直线传播、球面镜、月相；1621年，Snell（折射）定律；1657年，费马（Fermat）原理.三千年前，镜子的记载（《圣经》约前1200－前100年）；1.几何光学《墨经》：前四世纪，记载了八条几何光学现象：光的直线传播、平面镜、凹面和凸面镜；1-1-5/[e-mail]世纪：牛顿思想占统治地位（1643－1727），1704年，《光学》；17世纪中叶开始发展17世纪：格里马耳、胡克、惠更斯《论光》；2.波动光学1-1-6/[e-mail]绪论麦克斯韦（Maxwell）以对称和谐的方程组形式集电磁波理论之大成后，波动说看来已达到尽善尽美的境界.19世纪前半叶：波动说重新崛起并通过斗争走向胜利.T.Young(1801-1803)A.J.Fresnel(1818)1850傅科(J.Foucault)用旋转镜法测光速，确定光在水中的速度比在空气中小，宣告波动说对微粒说取得了决定性胜利；J.C.Maxwell1-1-7/[e-mail]绪论二十年代，物质波概念（德布罗意,1924)电子通过金属箔衍射证实.19世纪末—20世纪初3.量子光学黑体辐射、普朗克量子假说(1900)爱因斯坦光子假说（1905）波粒二象性.1-1-8/[e-mail]绪论发展史说明：（1）发展是无限的，无终极真理；（2）发展过程是辨证的，否定之否定，正—反—合；（3）真理往往掌握在年青人的手里：Young（杨氏实验)28岁，Fresnel（菲涅尔衍射）26岁，Einstain1901年26岁，Newton1665－1667，22－24岁.1-1-9/[e-mail]绪论三、光学近代进展管窥本世纪中叶开始：新思想、新方法、新技术、新材料.傅里叶光学、全息学、激光、纤维光学、薄膜光学、集成光学、光计算机.傅里叶光学及光学信息处理4-f空间滤波系统运动引起模糊消模糊1-1-10/[e-mail]@[e-mail]@[e-mail]@sdu.edu.cn绪论光通信—自由空间互连1-1-16/[e-mail]@sdu.edu.cn掌握物理思想，物理图像2.多观察、多思考、多做题、多总结大自然是光学现象最大的和最壮观的实验室3.尽可能多看书，开拓视野四、学习要求五、参考书目1.E.Hect（赫克特),A.Zajac(赞斯),Optics(光学）2.F.A.JenkinsandH.E.White,FundemantalsofOptics(物理光学基础)3.赵凯华,新概念物理教程光学.高等教育出版社,20041-2-1/[e-mail]以光线概念为基础光束:几何光线的集合光线的方向:光能传播的方向理想模型忽略光的光的波动性光源光线波面1.1光线传播的基本规律1.2成像的基本原理薄透镜成像1.3成像仪器1-2-2/[e-mail]光线传播的实验规律§1.1光线传播的基本规律1.1.1光线传播的实验规律一、实验规律1.光的独立传播原理折射2211sinsininin=真空n=1,介质n＞1.n小—光疏媒质，n大—光密媒质3.讨论：光路可逆性i1′i1i2i1′i1i2入射线i1′i1i2反射线界面法线折射线介质介质介质1(n1)界面光的反射和折射介质介质介质2(n2)cnv=折射率2.几何光学三定律直进（均匀介质，折射率n相同）1'1ii=反射1-2-3/[e-mail]光线传播的实验规律二、全反射和临界角光密→光疏,折射角入射角入射角为ic时，折射角等于90o0'90sinsinninc=iic时，发生全反射全反射临界角'arcsinnnic=如n=1,n′=1.5(玻璃)，则ic=41.80o.123414光疏介质n光密介质n’ic全反射临界角321-2-4/[e-mail]光线传播的实验规律例题：从正上方观察时水下物体的视位置ininsinsin''=niin=''='tan=tan'ahihi''''tantanhiinhiin===空气－水：n＝1,n’=4/3,h’=3h/41-2-5/11ih’hi’nn'AA’a空气水[e-mail]光线传播的实验规律思考题：下图对吗？1-2-6/11AA’水空气人眼如何分析水下物体的视位置？@sdu.edu.cn不能太大，为什么？光线增益大，保密性好，广泛用于传像、通讯等领域1.1.1光线传播的实验规律1-2-7/11n1n2n1i光导纤维i’@[e-mail]三、折射棱镜(Prism)α,n给定，δ＝δ(i1).可证当入射线和出射线处于对称位置时，δ最小，并且满足2sin2sinmin0αδα+=nn所以可以通过测量δmin来测定折射率n.α很小时（光楔），δmin很小，利用近似,22sin,22sinminminδαδααα+≈+≈可得min01,nnδα⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠当n0=1时，.)1(minαδ−=nαi1δ三棱镜的偏向角偏向角δnn01.1.1光线传播的实验规律1-2-9/[e-mail]度度晕晕((Halos)1.1.1光线传播的实验规律1-2-10/[e-mail]@sdu.edu.cn费马原理一、光程(OpticalPathLength)ABn1n2n3n4l1l2l3l4[]iiilnl=∑光程基于传播时间相等，将介质中路径折算为真空中路径真空中l:几何路程lt=c介质中/llnltcnc===v记称为光程[],lnl=有[]ltc=3121231..../iiiiiiiiillllltnlcnc=+++====∑∑∑vvvv分层介质1-3-1/[e-mail](x,y,z)[]d.BAllnl=∫推广到折射率连续变化介质(梯度折射率介质)[]ltc=[]iiilnl=∑光程将1-3-2/[e-mail]二、费马原理1.表述：实际光线路径是光程平稳的路径“平稳”—当光线路程有无限小偏离时，光程的一阶变分为零[]d0.BAlnlδδ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦∫AB路径是坐标的函数光程是路径的函数1.1.2费马原理1-3-3/