第一章-光与光的传播1

第一章第一章 光和光的传播光和光的传播 下页上页上页 1 几何光学的三个实验定律几何光学的三个实验定律2 棱镜色散及其偏向角的推导棱镜色散及其偏向角的推导3 惠更斯原理惠更斯原理4 费马原理费马原理 下页重点内容重点内容了解内容了解内容了解光的本性的描述及其发展过程了解光的本性的描述及其发展过程 1.1 光和光学光和光学光的本性光的本性光的某些方面的行为像经典的光的某些方面的行为像经典的“波动波动”，另一些方，另一些方面的行为却像经典的面的行为却像经典的“粒子粒子”波粒二象性波粒二象性1、光源、光源 宇宙间的物体，有的是发光的，有的是不发光的把自行发光的物体叫做光源光源太阳、电灯、点燃的蜡烛等，都是光源 光具有能量，他可以使其它物体变热，使照相底片感光，使光电池供电，这时，光能转化为其它形式的能，光源发光要消耗其他形式的能量。电灯发光（）转化为光能蜡烛燃烧（）转化为光能太阳发光（）转化为光能电能电能化学能核能核能按照能量补给的方式：按照能量补给的方式：（1）热辐射太阳、白炽灯）热辐射太阳、白炽灯（2）非热辐射（）非热辐射（a）电致发光日光灯；（）电致发光日光灯；（b）化）化学发光鬼火；（学发光鬼火；（c）生物发光萤火虫）生物发光萤火虫2、电磁波的能量、电磁波的能量在实验误差范围以内，这个常数c与已测得的光速相等。于是麦克斯韦得出这样的理论：光是某一波段的电磁波，光是某一波段的电磁波，c c就是光在真空中的传播速度。就是光在真空中的传播速度。在真空中电磁波的速度：在真空中电磁波的速度：smc/1031800可见光：可见光：4000埃埃7600埃埃红橙黄绿青蓝紫红橙黄绿青蓝紫宇宇宙宙射射线线 射射线线 X X射射线线 紫紫外外线线 可可见见光光红红外外线线微波微波毫毫米米波波厘厘米米波波分分米米波波超超短短波波短短波波中中波波长长波波无无 线线 电电 波波12101010410210210410610)c(m221031610314103121034103)Hz(介质中电磁波的速度为折射率 rrcuucnrrn 和 都垂直 ，电磁波是横波。维纳实验证明，对人的眼睛或感光仪器起作用的是电场强度 ，所以光波中的振动矢量 是指电场强度 。EHu 电磁波的传播过程为能量的传播过程，即辐射能。电磁波的传播过程为能量的传播过程，即辐射能。221Ewe221Hwm电场能量密度电场能量密度磁场能量密度磁场能量密度mewww222121HE电磁场能量密度电磁场能量密度人眼的视网膜或物理仪器所检测到的光的强弱都是由能人眼的视网膜或物理仪器所检测到的光的强弱都是由能流密度的大小来决定的（单位时间内通过与波的传播方流密度的大小来决定的（单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量）。向垂直的单位面积的能量）。uHEwuS)(2122HE1u20022)(211)(21EEHEHEHHESrr辐射强度（玻印亭矢量）辐射强度（玻印亭矢量）HESEHS电磁波的波强电磁波的波强在光频段在光频段1rrrrn则则20200EcnnES由于电场和磁场的变化频率高达由于电场和磁场的变化频率高达10101515HzHz数量级，所以数量级，所以S S的的值也在迅速改变，用任何方法都不能接受到其瞬时值，值也在迅速改变，用任何方法都不能接受到其瞬时值，只能接受到在某一时间段内的平均值只能接受到在某一时间段内的平均值。20221EE(E0为振幅）为振幅）任何波动所传递的能流密度与振幅的平方成正比，所以，光的强度或光照度（即平均能流密度）为 2002EcnSI一般认为：一般认为：在不同介质中时，在不同介质中时，n不同，则：不同，则：In在同一介质中时：在同一介质中时：20EI 几何光学研究的是光在障碍物尺度比光波大得多情况下几何光学研究的是光在障碍物尺度比光波大得多情况下的传播规律的传播规律.这种情况下这种情况下,波长趋近于零波长趋近于零,可以不必考虑光的波动可以不必考虑光的波动性质性质,仅以光直线传播性质为基础仅以光直线传播性质为基础.若研究对象的几何尺寸远远大于所用光波波长若研究对象的几何尺寸远远大于所用光波波长,则由几何则由几何光学可以得到与实际基本相符的结果光学可以得到与实际基本相符的结果.反之，当几何尺寸可以反之，当几何尺寸可以与光波波长相比时与光波波长相比时,则由几何光学获得的结果将与实际有显著则由几何光学获得的结果将与实际有显著差别，甚至相反差别，甚至相反.几何光学是波动光学在一定条件下的近似几何光学是波动光学在一定条件下的近似.下页上页 1.2光的几何光学传播规律光的几何光学传播规律光学的两大分支 光学是物理学最古老的学科之一，它分为几何光学几何光学和物理光物理光 学学两大部分。几何光学几何光学：以光的直线传播模型为基础，研究光的传播 规律、成象规律，是光学系统设计的基础。物理光学物理光学：以光的电磁理论为基础，研究光的本性、光 的传播规律及光与物质的相互作用。几何光学的基本实验定律几何光学的基本实验定律1.几何光学的实验定律几何光学的实验定律2.光的全反射光的全反射 （1）全反射棱镜）全反射棱镜（2）光学纤维）光学纤维(1)光的直线传播定律光的直线传播定律:(2)光的独立传播定率和光路的可逆性原理光的独立传播定率和光路的可逆性原理:(3)光的反射定律和折射定律光的反射定律和折射定律:下页上页.几何光学的实验定律几何光学的实验定律(1)光的直线传播定律光的直线传播定律:在均匀的各向同性的透明介质中，光沿直线传播在均匀的各向同性的透明介质中，光沿直线传播.下页上页光的直线传播现象影的形成、本影和半影、小孔成像光的直线传播现象影的形成、本影和半影、小孔成像本影和半影本影和半影本影：光源上所有发光点都照不到的区域。半影：光源上一本影：光源上所有发光点都照不到的区域。半影：光源上一部分发光点能照到，而另一部分发光点照不到的区域成为半部分发光点能照到，而另一部分发光点照不到的区域成为半明半暗的半影。明半暗的半影。SSABC光路可逆性原理：光路可逆性原理：如果光线逆着反射光线入射，则这时的反射如果光线逆着反射光线入射，则这时的反射 光线将逆着原来的入射光线方线传播。光线将逆着原来的入射光线方线传播。光在不太强时光在不太强时,传播过程中与其他光束相遇时传播过程中与其他光束相遇时,各光各光束相互不受影响束相互不受影响,不改变传播方向不改变传播方向,各自独立传播各自独立传播.(2)光的独立传播定率光的独立传播定率:nn入射面入射面:入射光线和法线决定的平面入射光线和法线决定的平面.ii反射定律反射定律：反射光线在入反射光线在入射面内射面内.入射光线和反射入射光线和反射光线分居法线两侧入射光线分居法线两侧入射角等于反射角角等于反射角:iCBAi反射光线反射光线D折射光线折射光线(3)光的反射定律和折射定律光的反射定律和折射定律:下页上页sinsinnin式中式中,1vcn.2vcn为两介质的折射律为两介质的折射律光的折射定律光的折射定律:入射光线法线和折射光线同在入射光线法线和折射光线同在入射面内入射面内,入射光线和反射光线分居法线两侧入射光线和反射光线分居法线两侧,且有且有下页上页反射定律可认为是折射定律在反射定律可认为是折射定律在 n=-n 情况情况下的特例下的特例.由折射定律，在由折射定律，在n=-=-n时时ii，负负号表示入射光线与反射光线各在法线的一侧号表示入射光线与反射光线各在法线的一侧.介质折射律不仅与介质介质折射律不仅与介质种类有关种类有关,而且与光的波而且与光的波长有关长有关.光在折射时光在折射时,不同不同波长的光将分散开来波长的光将分散开来,这这种现象叫作色散种现象叫作色散.nn白光白光下页上页nn 当光从光密媒质入射到光疏媒质时，折射角大于当光从光密媒质入射到光疏媒质时，折射角大于入射角，光在这种情况下的反射入射角，光在这种情况下的反射,叫作叫作内反射内反射.2.光的全反射光的全反射 内反射时，折射角随着入射角的增大而增大，内反射时，折射角随着入射角的增大而增大，当折射角等于当折射角等于900 时，对应的入射角为时，对应的入射角为 i c.点光源点光源.全内反射全内反射ci 当光从光疏媒质入射到光密媒质时，折射角小于入当光从光疏媒质入射到光密媒质时，折射角小于入射角，光在这种情况下的反射射角，光在这种情况下的反射,叫作叫作外外反射反射.下页上页当入射角大于等于当入射角大于等于 时，全部光能量都反回原时，全部光能量都反回原介质介质这种反射叫作光的这种反射叫作光的全反射全反射,或叫作光的或叫作光的全内全内反射反射.ci).arcsin(nnic称作称作临界角临界角.cicinnsin90sin0由折射定律由折射定律:下页上页1n2nci21nn 外反射：外反射：下页上页1n2nci入 射 角 大入 射 角 大于 临 界 角于 临 界 角的 光 线 发的 光 线 发生全反射生全反射21nn 内反射，全内反射：内反射，全内反射：下页上页五脊棱镜五脊棱镜波罗棱镜波罗棱镜使像转使像转过过90900 0全内反射的应用举例全内反射的应用举例:（1 1）全反射棱镜）全反射棱镜 借助光在棱镜中的全反射，改变光进行的方向借助光在棱镜中的全反射，改变光进行的方向.这这种棱镜被广泛应用在各种光学仪器中和各种实验光路中种棱镜被广泛应用在各种光学仪器中和各种实验光路中.由于全反射时光能量能完全返回原介质由于全反射时光能量能完全返回原介质,所以它比镀铝所以它比镀铝或镀其他介质膜的反射镜更优越或镀其他介质膜的反射镜更优越,后者的反射面上对光后者的反射面上对光能量有一定的吸收能量有一定的吸收.下页上页90450组合波罗棱镜，组合波罗棱镜，望远镜正像系统望远镜正像系统,使像面旋转使像面旋转1800下页上页后反射直角棱镜后反射直角棱镜光线进入棱光线进入棱镜镜,依次经三依次经三直角面反射直角面反射后后,出射光线出射光线与入射光线反与入射光线反向平行向平行XYZ 后反射镜又称四面直角体后反射镜又称四面直角体,空间一定范围的光线空间一定范围的光线,依次依次经三个相互垂直的平面反射后经三个相互垂直的平面反射后,出射光线的方向与入射光线出射光线的方向与入射光线的方向相反的方向相反.这种棱镜在激光谐振腔中可以代替高反射介质这种棱镜在激光谐振腔中可以代替高反射介质镜镜;在激光测距中把它当作被测目标的反射器在激光测距中把它当作被测目标的反射器,不仅减少能不仅减少能量损失量损失,而且减少了瞄准调整的困难而且减少了瞄准调整的困难;在高速公路上在高速公路上,这样的这样的四面体常用来作四面体常用来作“无源路灯无源路灯”.返回目录返回目录下页上页光进入光学纤维后光进入光学纤维后,多次多次在内壁上发生全内反射在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另光从纤维的一端传向另一端一端.（2 2）光学纤维）光学纤维光学纤维光学纤维:中央折射率中央折射率大大,表层折射率小的透表层折射率小的透明细玻璃丝明细玻璃丝.(a)原理原理下页上页b 梯度型光纤梯度型光纤阶跃型光纤阶跃型光纤arrnn阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤 梯度型多模光纤梯度型多模光纤下页上页cngn0ncniAii2B)1arcsin(2200cgnnni凡是入射角小于凡是入射角小于i0 的入射光，都将通过多次全的入射光，都将通过多次全反射从一端传向另一端；入射角大于反射从一端传向另一端；入射角大于i0 的光线，的光线，将透过内壁进入外层，不能继续传送将透过内壁进入外层，不能继续传送阶跃光学纤维的端面阶跃光学纤维的端面gcnn 00sinin称为光学纤维的称为光学纤维的数值孔经数值孔经，它决定了可经光学，它决定了可经光学纤维传递的光束的入射角纤维传递的光束的入射角.证明证明下页上页(b)(b)光纤的应用光纤的应用1)输送能量（传光束）输送能量（传光束）2)传送信息（传像束）传送信息（传像束）海底光缆海底光缆分布图图分布图图下页上页（c）光通信）光通信 优点：优点：低损耗低损耗窗玻璃几千分贝窗玻璃几千分贝/公里公里光学玻璃光学玻璃 500分贝分贝/公里公里雨后清澄的大气雨后清澄的大气 1分贝分贝/公里公里石英光纤石英光纤 0.2分贝分贝/公里公里2)信带宽、容量大、速度快信带宽、容量大、速度快3)电气绝缘性能好电气绝缘性能好 无感应无感应 无串话无串话 4)重量轻重量轻 线径细线径细 可绕性好可绕性好 6)资源丰富资源丰富 价格低价格低5)耐火耐火 耐腐蚀耐腐蚀 可用在许多恶劣环境下可用在许多恶劣环境下下页上页1.3 1.3 棱镜与色散棱镜与色散（1 1）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体称为棱镜）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体称为棱镜（2 2）三棱镜：截面呈三角形的棱镜叫三棱镜）三棱镜：截面呈三角形的棱镜叫三棱镜（3 3）主截面：与棱边垂直的平面叫做棱镜的主截）主截面：与棱边垂直的平面叫做棱镜的主截 面面（4 4）偏向角）偏向角m1.1.最小偏向角最小偏向角的推导的推导22ii)()()()(22112121iiiiiiii)()()()(22112121iiiiiiii求其最小值：求其最小值：11ii若将棱镜放在空气中，棱镜的折射率为若将棱镜放在空气中，棱镜的折射率为n则有：则有：121122112122122121211sincos)sin(sinsinsincos)sin1(sinsin)sincoscossin(sin)sin(sin)sin(siniiniininininini12sinsiniin12112211sincos)sin(sinsiniini,11ii 22ii 可以得到：当可以得到：当 时时min此时有：此时有：2min1i2/2i带入折射定律：带入折射定律：2sin2sinminn有：有：时，时，令令 01did，且有，且有 0212did由此可以测量棱镜的折射率由此可以测量棱镜的折射率n2.2.色散色散不同波长的光的折射率不同，因此当一束复合光（例：白不同波长的光的折射率不同，因此当一束复合光（例：白光）以相同的入射角光）以相同的入射角i入射到棱镜的侧面时，其出射光线中入射到棱镜的侧面时，其出射光线中各个波长的光的偏向角各个波长的光的偏向角 不同，从而出射方向也不同。在不同，从而出射方向也不同。在正常色散（正常色散（n随波长随波长 的减小而增加）情况下，在可见光中的减小而增加）情况下，在可见光中，紫光的折射率最大，红光的折射率最小，其光路如图所，紫光的折射率最大，红光的折射率最小，其光路如图所示：示：补充：光楔补充：光楔定义：顶角定义：顶角 很小的棱镜很小的棱镜则：则：（n-1)1 1.3 3惠更斯原理惠更斯原理 惠 更 斯C.Huygens荷兰物理学家荷兰物理学家(1629-1695)一一.波的几何描述波的几何描述波动：扰动在空间的传播波动：扰动在空间的传播波面：波面：在同一振源的波场中振动同时到达的各点具有相同在同一振源的波场中振动同时到达的各点具有相同的位相的位相 满足上述条件的振动轨迹称为波面或波振满足上述条件的振动轨迹称为波面或波振面。面。球面波：球面波：平面波：平面波：波线：波线：波面波面 波线波线 波面与波线波面与波线 球面波球面波 平面波平面波 二二.惠更斯原理的表述惠更斯原理的表述 光扰动同时到达的空间曲面被称为波面或波前，波前光扰动同时到达的空间曲面被称为波面或波前，波前上的每一点都可以看成一个新的扰动中心，称为子波源上的每一点都可以看成一个新的扰动中心，称为子波源或或次波源次波源，次波源向四周发出次波；，次波源向四周发出次波；下一时刻的波前是下一时刻的波前是这些大量次波面的公切面，或称为包络面这些大量次波面的公切面，或称为包络面；次波中心与；次波中心与其次波面上的那个切点的连线方向给出了该处光传播方其次波面上的那个切点的连线方向给出了该处光传播方向。向。.t 时刻的波面时刻的波面t+t时刻的波面时刻的波面子波波源子波波源tu 用惠更斯原理确定下一时刻平面波的波前用惠更斯原理确定下一时刻平面波的波前 用惠更斯原理确定 下一时刻球面波的波前.子波波源子波波源t+t时刻时刻的波面的波面t 时刻时刻的波面的波面tu.二、用惠更斯原理解释衍射现象障碍物障碍物障碍物后的障碍物后的阴影部分阴影部分平面波平面波平面波波面平面波波面障碍后障碍后的波面的波面障碍后障碍后的波线的波线 惠更斯原理导出折射定律惠更斯原理导出折射定律入射角为i1的平面波，波前为ABCCC的时间：1vCCt 122CCvvtvAA点：B点：B由C点向圆A作切线CA次波面的公切面：ABC次波中心和切点的连线AA、BoB,折射光的传播方向，折射角为i2:sin,sin1221ACCCvvACiACCCiA折射定律：折射定律：constvvii2121sinsin折射定律和速度比折射定律和速度比constvvii1221sinsin光粒子说：光粒子说：1850年傅科和斐索测量了光速，光波动说又一次得到了证实。年傅科和斐索测量了光速，光波动说又一次得到了证实。惠更斯原理的不足惠更斯原理的不足:不能回答光振幅或光强的传播问题。不能回答光振幅或光强的传播问题。不能回答光位相的传播问题。不能回答光位相的传播问题。不能说明波为什么只能向前传播，而不能向后不能说明波为什么只能向前传播，而不能向后传播的问题传播的问题惠更斯菲聂耳原理惠更斯菲聂耳原理光场衍射理论的诞生光场衍射理论的诞生惠更斯原理的精华惠更斯原理的精华:次波源的概念。次波源的概念。小结：小结：几何光学的基本实验定律几何光学的基本实验定律棱镜与色散棱镜与色散惠更斯原理惠更斯原理作业：作业：用惠更斯原理证明反射定律用惠更斯原理证明反射定律光学纤维光学纤维iii2当 时，光能够沿光纤的内壁由光纤的一端传到另一端.由cii 02ABcngn0ncn 返回返回下页上页cii 2cgnin)2sin(0B点：点：A点：点：000sinsinining即即cgnin0cos即即220200)cos1(sincggnninin所以所以)1arcsin(2200cgnnni00sinin称为光学纤维的数值孔经，它决定了可经光学称为光学纤维的数值孔经，它决定了可经光学纤维传递的光束的入射角纤维传递的光束的入射角.返回返回上页返回