国家精品课程讲义-山东大学-光学 第一章 几何光学

（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，
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Einstain 1901年26岁，Newton 1665－1667，22－24岁.
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γ 射线
X 射线
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紫
390
p .o
绿
500
可见光
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10－6
10－4
10－2
1
102
λ(m)
紫 外 线
红 外 线
微波
无线电波
蓝 青
黄橙
600
红
760
λ(nm)
1nm = 10-9 m nm－nanometer
c = 3.0 ×
108
m/s
c = νλ
ν = 7.7 ~ 3.9×1014 Hz
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1. 1. 1 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
i O a B h’
h A’
i’
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水
cn u. ed n i = ni u. sd a=h ' tan i=h tan i ' s. tic
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cn u. 光源 ed u. 光线 sd s. 波面 tic p .o
理想模型 忽略光的光的波动性
Geometric optics
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
薄透镜成像ຫໍສະໝຸດ Baidu
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1. 1. 1 光线传播的实验规律
§1.1 光线传播的基本规律
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1. 1. 1 光线传播的实验规律
三、折射棱镜 (Prism)
α, n 给定，δ＝δ ( i1).
δ 最小，并且满足
i1
α
可证当入射线和出射线处于对称位置时，
n = n0
sin
α + δ min
sin
α
2 2
α 很小时（光楔），δmin很小，利用近似 sin
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1. 1. 1 光线传播的实验规律
22 度 晕 ( Halos )
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绪论
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绪论
分类
几何光学：光线概念、几何光学三定律为基础
干涉 衍射 偏振
集成光学与光计算机
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绪论
四、学习要求
1. 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
五、参考书目
1. E. Hect（赫克特), A. Zajac (赞斯), Optics (光学） 2. F. A. Jenkins and H.E.White, Fundemantals of Optics (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, 2004
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绪论
2. 波动光学
17世纪中叶开始发展
17世纪：格里马耳、胡克、惠更斯《论光》；
18世纪：牛顿思想占统治地位（1643－1727），1704年，《光学》；
1 2 3
光密 → 光疏, 折射角 > 入射角
入射角为 ic时，折射角等于90o
n ' sin ic = n sin 90 0
i > ic时，发生全反射
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du .e du .s cs ti
光密介质 n’
4 3
cn .
4
ic
2
1
全反射临界角
全反射临界角
ic = arcsin
n n'
如 n = 1, n′= 1.5 (玻璃)，则 ic = 41.80 o.
1. 1. 1 光线传播的实验规律
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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
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二十年代，物质波概念 （德布罗意, 1924)
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爱因斯坦光子假说（1905）
波粒二象性.
电子通过金属箔衍射证实.
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绪论
发展史说明：
（1）发展是无限的，无终极真理；
可得
min
w w wδ
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n n0
三棱镜的偏向角
δ
偏向角δ
所以可以通过测量 δmin 来测定折射率n.
α
2
≈
α
2
, sin
α + δ min
2
≈
α + δ min
2
,
⎛ n ⎞ = ⎜ − 1⎟ α , ⎝ n0 ⎠
当 n0 = 1 时，
δ min = (n − 1)α .
消模糊
4-f 空间滤波系统
运动引起模糊
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傅里叶光学及 光学信息处理
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图像锐化
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全息学
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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 2. 几何光学三定律
直进（均匀介质，折射率 n 相同） 反射 折射
i1 = i1
'
n1 sin i1 = n2 sin i2
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入射线 介质1 介质 ( n1) i1 i1′ 介质 2 ( n2) i2 光的反射和折射
波动光学:
物理光学:
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λ/a → 0
过渡到几何光学
连续波，以经典电磁理论为基础
量子光学:
光子概念为基础；
发射、吸收、激光、光与物质作用
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绪论
二、光学发展简史
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绪论
光通信—自由空间互连
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国家精品课程 国家“十一五”规划教材
cn OPTICS du. .e 光 学u sd s. tic 绪论 第一章 p .o w 山东大学信息学院光学系 w w 蔡 履 中
主讲 2009, 9 www.optics.sdu.edu.cn lzcai@sdu.edu.cn
绪论
绪论
cn u. 乎和人类文明史本身一样久远；近半个世纪以来，它 ed u. 又以令人炫目的发展速度、奇迹般层出不穷的研究成 sd s. 果以及所蕴含的巨大潜力和希望，使自己跻身于现代 tic p o 科学技术的前沿. .在全面展开对光学基本知识的讨论 w w 之前，了解一下光学的概貌及发展过程将有所裨益， w
界面法线
反射线
界面
折射线
折射率
c n= v
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
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1. 1. 1 光线传播的实验规律
二、全反射和临界角
光疏介质 n
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绪论
全息学
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尽管这种介绍只能是相当粗糙而简略的.
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光学是一门古老而又年轻的学科. 其悠久的历史几
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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 电磁波谱
10－14 10－12 10－10 10－8
n ' sin i ' = n sin i
' '
空气 n
n'
h ' tan i ' i ' n = = = ' h tan i i n
空气 －水：n＝1, n’ = 4/3, h’ = 3h/4
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1. 1. 1 光线传播的实验规律
思考题： 下图对吗？
空气
绪论
激光
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纤维光学及光通信
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A. J. Fresnel (1818)
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J. C. Maxwell
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绪论
3. 量子光学
19世纪末 — 20 世纪初
黑体辐射、普朗克量子假说 (1900)
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绪论 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)
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； 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.
1. 几何光学
三千年前，镜子的记载（《圣经》约前1200－前100年）； 《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； 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.
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第一章 几何光学
第一章 几何光学
w w 光线传播的基本规律 w1. 1
1. 2 1. 3 成像的基本原理 成像仪器
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A’
如何分析水下物体的视位置？
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人眼 水
A
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1. 1. 1 光线传播的实验规律
利用全反射制光导纤维
i
i’
光线增益大，保密性好，广泛用于传像、通讯等领域
孔径角 i 不能太大，为什么？
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n1
光导纤维
n2 < n1
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1. 1. 1 光线传播的实验规律
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