大學(xué)物理幾何光學(xué)課件

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1、引言：光學(xué)的起源和光的本質(zhì)我國(guó)早在春秋時(shí)代《墨經(jīng)》中記載了許多光學(xué)現(xiàn)象，如：光的直線(xiàn)傳播，反射、折射等，中國(guó)古代在幾何光學(xué)方面長(zhǎng)期在世界居于領(lǐng)先地位。近代光學(xué)的發(fā)展一直伴隨對(duì)光的本質(zhì)的研究，他經(jīng)歷了幾個(gè)時(shí)代：古希臘（歐幾里德），把光看作觸須投射（錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)）十七世紀(jì)開(kāi)始，對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)，有兩種學(xué)說(shuō)并立以牛頓為代表的微粒說(shuō)，認(rèn)為光是按照慣性定律沿直線(xiàn)飛行的微粒，解釋光的直線(xiàn)傳播，反射、折射。無(wú)法解釋干涉、衍射、偏振光學(xué)1惠更斯提出光的波動(dòng)理論，認(rèn)為光是在一種特殊介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。解釋了光的反射、折射、衍射。托馬斯.楊和菲涅爾（在十九世紀(jì)初）透過(guò)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步的理論

2、工作，驗(yàn)證了光的波動(dòng)理論，成功地解釋了光的干涉、衍射。波動(dòng)光學(xué)存在不足，把光看作是機(jī)械波，光在真空中傳播需要媒質(zhì)，于是臆想出“以太”，認(rèn)為真空中充滿(mǎn)了“以太”，但找不到。十九世紀(jì)六十年代，麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)理論，預(yù)言電磁波存在，1887年赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電磁波，電磁波的速度等于光速，認(rèn)為光是電磁波。科學(xué)家們認(rèn)為光的本質(zhì)研究已完成---光是一種電磁波2隨著技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)條件的完善，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，利用波動(dòng)光學(xué)無(wú)法解釋?zhuān)?900年普朗克提出量子假說(shuō)，1905年愛(ài)因斯坦提出光子學(xué)說(shuō)。解釋了光電效應(yīng)。目前關(guān)于光的本質(zhì)（光是什么）只能講：光具有波粒二象

3、性，既是粒子，也是波。3少女？老婦？但兩種圖象不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在你的視覺(jué)中。光在某些條件下表現(xiàn)出粒子性，在另一些條件下表現(xiàn)出波動(dòng)性，而兩種性質(zhì)雖寓于同一體中，卻不能同時(shí)表現(xiàn)出來(lái)。例如：兩種圖象寓于同一幅畫(huà)中；4第16章幾何光學(xué)光學(xué)的理論體系以光的直線(xiàn)傳播為基礎(chǔ)，采用幾何方法研究光在透明介質(zhì)中的傳播問(wèn)題。物理光學(xué)波動(dòng)光學(xué)：以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律。量子光學(xué)：以光和物質(zhì)相互作用時(shí)所顯示出的粒子性為基礎(chǔ)，研究光的一系列規(guī)律?，F(xiàn)代光學(xué)非線(xiàn)性光學(xué)激光光譜學(xué)信息光學(xué)集成光學(xué)統(tǒng)計(jì)光學(xué)……….幾何光學(xué)：其基礎(chǔ)是光波長(zhǎng)趨于零（?<

4、介質(zhì)中，光沿直線(xiàn)傳播。如：針孔成像就是光沿直線(xiàn)傳播的結(jié)果。針孔成像光闌16.1幾何光學(xué)的基本定理2009.7.22四川省遂寧市大英縣觀察到的日全食62.光的獨(dú)立傳播定律：來(lái)自不同方向的光線(xiàn)在介質(zhì)中相遇后，各保持原來(lái)的傳播方向繼續(xù)傳播。7入射光線(xiàn)、反射面的法線(xiàn)和反射光線(xiàn)三者處在同一平面上，入射光線(xiàn)和反射光線(xiàn)分居于入射點(diǎn)界面法線(xiàn)的兩側(cè)，入射角等于反射角。3、反射定律：光的反射en界面SR漫反射光路可逆性原理8其中：n21稱(chēng)為介質(zhì)2相對(duì)于介質(zhì)1的相對(duì)折射率4、折射定律入射光線(xiàn)折射光線(xiàn)i入射角折射角enn1n2分界面入射光線(xiàn)、折射光線(xiàn)和分界面的法線(xiàn)en三者同處在一個(gè)平面

5、上，入射角i和折射角有下述關(guān)系：9物質(zhì)相對(duì)于真空的折射率稱(chēng)為絕對(duì)折射率（簡(jiǎn)稱(chēng)折射率），其定義為：光在真空中的傳播速度光在介質(zhì)中的傳播速度兩種介質(zhì)相比較，折射率大的介質(zhì)，光在其中的傳播速度小，稱(chēng)為光密介質(zhì)；折射率小的介質(zhì)，光在其中的傳播速度大，稱(chēng)為光疏介質(zhì)。折射定律也可表示為：斯涅耳定律（Snell’sLaw）10當(dāng)有臨界角A：相應(yīng)于折射角為90°的入射角。全反射：當(dāng)入射角i大于臨界角A時(shí)，將不會(huì)出現(xiàn)折射光，入射光的能量全部反射回原來(lái)介質(zhì)的現(xiàn)象。（n1＞n2）5、全反射en旋轉(zhuǎn)反射鏡1112光導(dǎo)纖維的光路內(nèi)窺鏡全反射的應(yīng)用1216.2共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的成像一、光程

6、光在均勻介質(zhì)走過(guò)的幾何路程r與介質(zhì)折射率n之乘積。用l表示。光程的物理意義：表示光在介質(zhì)中通過(guò)真實(shí)路程所需時(shí)間內(nèi),在真空中所能傳播的路程。即：l=nr光程介質(zhì)中：折合到真空中：13二、費(fèi)馬原理光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)將循著這樣一條路徑，光沿所需要時(shí)間為極值（可以是極大值、極小值，也可以是常量）的路徑傳播。即：光沿著光程為極值的路徑傳播。所用時(shí)間為：時(shí)間t有極值的條件是:或14光程：光在i介質(zhì)中的光程等于在相同時(shí)間t內(nèi)光線(xiàn)在真空中所走的路程。光線(xiàn)沿光程為平穩(wěn)值的路徑而傳播。平穩(wěn)值的三種基本含義：極小值——直線(xiàn)傳播、反射、折射極大值——凹球面反射鏡?！?shù)——成像系統(tǒng)的物

7、像關(guān)系費(fèi)馬原理推論：物象等光程，即由物點(diǎn)發(fā)出的所有光線(xiàn)通過(guò)光具組后均應(yīng)以相等的光程到達(dá)像點(diǎn)。15費(fèi)馬原理的應(yīng)用(1)——反射定律aABii’PdxbnA與B時(shí)折射率為n的均勻介質(zhì)中的兩點(diǎn)，有一光線(xiàn)APB，其光程為：根據(jù)費(fèi)馬原理，這光程應(yīng)為極小，所以16上式可以寫(xiě)成：由圖可知：即：這就是反射定律。BdAaii’Pxbn17費(fèi)馬原理的應(yīng)用(2)——折射定律折射定律的證明（取極小值）y設(shè)A(0,yA)，O(x,0)，B(xB，yB)即：18光在單球面上的傍軸成像ABCO反射面（甲）凹面鏡ABCO反射面（乙）凸面鏡球面鏡主光軸：球面上中心點(diǎn)O與球心(曲率中心)C所連直線(xiàn)

8、。副光軸：通過(guò)曲率中心的