几何光学(费马原理)传播规律
3-1 光线传播的基本规律_
光程取极小值的例子： 均匀介质中，两点间的光线为直线。
(2) 经过透镜的共轭点的所有路径的光程相等，
A、A’为共轭点，所有路径的光程相同
1
光程取极大值的例子： 除了透镜的共轭点之外，光经过会聚透镜两侧 的任意两个点所走的实际路径比任意其它路径对应 的光程都大。
蓝线：A、B两点 间的其它路径
入射角为i1， B3 B4 折射角为i2
sin i1 v1t A1B 4 v2 t A1B 4
Ⅰ 光线 1 的波面到达 界面之后,部分光将 进入介质 II ，波面将 会变得较复杂。 Ⅱ
A4 A i1 A2 3 Ⅰ B2 A1 Ⅱ D v2t i2
v1t
B3
l
B4
sin i 2
为了方便，只讨论光线4到达界面(B4点)时，界面 上各个子波源发出的球面波的包络面。
光程取极大值的例子： 除了透镜的共轭点之外，光经过会聚透镜两侧 的任意两个点所走的实际路径比任意其它路径对应 的光程都大。
蓝线：A、B'两点 间的其它路径
红线：光经过A、B 两点所走的实际路径
红线：光经过A、B' 两点所走的实际路径
红线所对应的光程>蓝线所对应的光程
为什么？
红线所对应的光程>蓝线所对应的光程
34
思 考 题 如图所示，光束连续通过多层折射率不同的透明 介质，出射光的方向与那些量有关？
空气密 度减小
38
光束在折射率渐变的介质中如何传播？
Mirage 海市蜃楼
3
31
n1 n2
y1
i1 x L B i2
n1 x 2 y 1
2 2 2
n 2 (L x) y 2
几何光学的基本定律和费马原理
主要内容一、几何光学的三个基本定律二、光路可逆原理三、全反射、光学纤维四、费马原理光线：空间的几何线。
各向同性介质中，光线即波面法线。
光的直线传播、反射和折射都可以用直线段及其方向的改变表示。
几何光学是关于光的唯象理论。
对于光线，是无法从物理上定义其速度的。
几何光学是关于物体所发出的光线经光学系统后成像的理论。
几何光学实验定律成立的条件：1.被研究对象的几何尺寸D远大于入射光波波长λD/ λ>>1 衍射现象不明显，定律适用。
D/ λ～1 衍射现象明显，定律不适用。
2.入射光强不太强在强光作用下可能会出现新的光学现象。
强光：几何光学的基本实验定律有一定的近似性、局限性。
一、几何光学的三个基本定律1.光的直线传播定律在真空或均匀介质中，光沿直线传播，即光线为2.光的独立传播定律自不同方向或由不同物体发出的光线在空间相交后，对每一光线的独立传播3.光的反射和折射定律3.1 反射定律G 3.2 折射定律入射面n光线在梯度折射率介质中的弯曲nn 5n 1n 3n 2n 4n 6海市蜃楼：沙漠中海面上光线在梯度折射率介质中的弯曲二、光路可逆原理在弱光及线性条件下，当光的传播方向逆转时，•光线如果沿原来反射和折射方向入射时，则相应的反射和折射光将沿原来的入射光的方向。
如果物点Q发出的光线经光学系统后在Q三、全反射、光学纤维1.全反射原理。
继续增大入射角，，而是按反射定律确定的方向全部反射。
全反射的应用：增大视场角毛玻璃r rr2.光纤的基本结构特性(1)光纤的几何结构光纤的几何结构(2)光纤分类①按纤芯介质分：均匀光纤，非均匀光纤。
(3)光纤的传光条件i cn 0n 2n 1(4)光纤的数值孔径四、费马原理物质运动的趋势：达到一种平衡状态或极值状态费马原理：在所有可能的光传播路径中，实际路径所需的时间取极值。
1说明：费马原理是光线光学的理论基础。
① 直线传播定律：两点间的所有可能连线中，线段最短——光程取极小值。
费马定理
费马原理定义：最小光程原理。
光波在两点之间传递时，自动选取费时最少的路径。
应用学科：费马原理是几何光学中的一条重要原理，由此原理可证明光在均匀介质中传播时遵从的直线传播定律、反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性等。
光的可逆性原理是几何光学中的一条普遍原理，该原理说，若光线在介质中沿某一路径传播，当光线反向时，必沿同一路径逆向传播。
费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径，不论光线正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。
因而借助于费马原理可说明光的可逆性原理的正确性。
光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。
地震学中的费马原理地震波沿射线传播的旅行时和沿其他路径传播的旅行时相比为最小，亦是波沿旅行时最小的路径传播。
光学中的费马原理光线在两点间的实际路径是使所需的传播时间为极值的路径[1]。
在大部分情况下，此极值为最小值，但有时为最大值，有时为恒定值。
费马原理详解光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。
又称最小时间原理或极短光程原理，法国数学家费马于1657年首先提出。
设介质折射率n在空间作连续变化，光传播路程ds 所需时间为式中c为真空中的光速。
光沿ACB曲线从A点传播到B点所需时间为费马原理指出了光传播的实际路径，这是一条所需时间τ为极小值的路径。
实际上τ除取极小值外，还可取极大值或稳定值，总之，τ应取极值。
光在介质中传播时，光传播的几何路程与介质折射率之乘积称为光程。
上式中的积分就是光沿ACB曲线从A点传到B点的总光程。
故费马原理也可表述为：光传播的实际路径是使光程取极值（极小值、极大值或稳定值）。
光程取极值的条件为光程的一级变分等于零，即此即费马原理的数学表达式。
费马原理是几何光学中的一条重要原理，由此原理可证明光在均匀介质中传播时遵从的直线传播定律、反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性等。
光的可逆性原理是几何光学中的一条普遍原理，该原理说，若光线在介质中沿某一路径传播，当光线反向时，必沿同一路径逆向传播。
几何光学(费马原理)传播规律
n1 sin ic n2 sin 90
ic
arc sin
n2 n1
？？发生全反射的两个条件
*全反射的应用
c
o
1
2
3
3 2
c l
L
y 1
1
z x 纤芯n1
包层n2
突变型多模光纤的光线传播原理
数值孔径(Numerical Aperture, NA)：临界角θc的正弦
si
1 2
k i1 i
因为介质的折射率 ni c i ,
所以上式可写为
t
1 c
ik i 1
ni si
ik
nisi ct
i 1
光程
光程定义: 光在介质中的光程 L 为介质的折射率与
光在介质中所走的几何路程之积. L ns
光在介质中走过的光程，等于以相同的时间在真空 中走过的距离.
光学的发展历史
1、牛顿提出 光的粒子性
2、惠更斯、 胡克提出光 的波动性
3、托马斯杨 发现了光的 干涉现象
6、赫兹从实 验上证明了 光是电磁波
5、麦克斯韦 提出电磁波 理论并预言 光是电磁波
（建立起光的经典模型： 光是一种电磁波，且是横波）
4、菲涅耳提 出了完整的 光的干涉衍 射理论
（建立起光的波动学说）
光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他 应用技术紧密相关的学科。
5
经典光学的研究内容
通常把光学分成几何光学、物理光学（波动光学）和量子光学 三个大类。
几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传 播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光 在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在 某些条件下的近似或极限。
第三章几何光学基本概念与费马原理
2
教学要求
（1）理解光线和光束的概念 （2）理解物和像的概念，掌握物、像虚实的实质 及判断。 （3）掌握几何光学基本定律，并应用它讨论一些 问题。 （4）了解由惠更原理，费马原理导出几何光学基 本定律，了解费马原理在光学中的地位及作用。 （5）掌握几何光学中的符号法则。
3
（6）掌握用物像公式寻找成像规律。 （7）掌握以光线作图法寻找成像规律。 （8）熟练掌握正确运用物像公式和光线 作图法求解单球面、薄透镜及简单光具组 的成像问题。
y A(x1,y1,o) i i’ D(x,0,0) C(x,0,z) z B(x2,y2,0) x
y 由A 经C 到 B 的光程为
A(x1,y1,o) i i’
B(x2,y2,0)
L n AC n CB
n ( x x1 ) y z
2 2 1 2 2 2 2 2
x
D(x,0,0)
波线
波线
在波场中有一线簇，它们每点的切线方向代表该点波的 传播方向，这种线簇——波线。 在各向同性介质中，波线总是与波面垂直的。
二、 基本实验规律 1 、光在均匀介质中沿直线传播
说明：不均匀介质中，光线弯曲
2 、光的独立传播和光路可逆原理
3、 光的反射定律和折射定律
反射、折射线同在入射面内，并与入射线分居 两侧,且 i' i n1 sin i1 n 2 sin i 2
二、几何光学基本定律 1、光的直线传播定律：
光在各向同性的均匀介质中沿直线传播物体的影子、针孔
成像、日蚀、月蚀、日食、月食都是直线传播的实验。
2、光的独立传播定律： 自不同方向或不同物体发出的光线相遇时，对每一光线 的独立传播不发生影响，相遇前后的传播方向和强度都保 持原来的传播方向和强度。 适用于强度不太大，相干性较差的光线传播。
用费马原理推导光学三大定律
证明反射定律
我们来试着求下列问题的解，在图中画了A、B两点和一平面镜M。哪 一条是在最短时间光从A碰到镜面M再返回B的路径？ 首先相对于M取B点的对称点B'，取从A到B的 任一路径ADB，由于△DBM'≌△DB'M'，因 此DB=DB',AD+DB=
显然 直线ACB'是从A到B'路径中最短的一条。所以， 过C点的线段ACB为我们要求的路径。 因 为 △ CBM≌△CBM' ， 所 以 ∠ BCM=∠B'CM ， 又 因 为 ACB' 为 直 线 ， ∠ACD=∠B'CM,既而∠ACD=∠BCM',过C点作平面镜M的法线。因此，
入射角等于反射角的这种说法与光射向镜面沿着需时 最短的路径返回到BFra bibliotek说法是等效的。
在Ⅱ平面内，令QQ'=H1，PP=H2，Q'P'=p，Q'M=x，
则（QMP)=N1·QM+N2·MP
=
N1 H12 x2 N 2 H 22 ( p x)2
式中 ， 为Ⅰ两边媒质的折射率，取上式对x的微商，得：
d
N1 x
N 2 ( p x)
(QMP)
dx
H12 x2
H 22 ( p x)2
光 学 基 础 知 识
光学基础知识
第二章
用费马原理推导—— 几何光学的三大定律
一、几何光学的三大定律
光的直线传播定律：光在均匀媒介里沿直线传播
光的反射定律：反射光线与入射光线、法线在同一 平面上；反射光线和入射光线分居法线的两侧；反射角 等于入射角。
几何光学的基本概念和定律
1、共轴球面光学系统－光学系统及其完善像
(1) 球面光学系统 各光学元件表面均为球面或者平面的光学系统。 (2)共轴球面光学系统：球面光学系统中，各光学元件表面的 曲率中心在同一直线上的光学系统。 (3)光轴：共轴球面光学系统中各光学元件表面的曲率中心所 在的直线。 (4)子午面：共轴球面光学系统中，通过光轴的平面。
说明 (1) N0方向从入射介质指向折射介质, 判断方法—A﹒N0>0 (2) |A|=n
(4) 反射定律的矢量形式—光的反射折射定律
A' ' A Γ r N0 Γ r为反射偏向常数 Γ r 2A N
0
A=nA0
-I I
n
A=n A0 N0 n t
A' ' A 2( A N0 )N0
I
-I n n I 反射和折射定律
说明 (a) 上面结论i和ii即为反射定律，结论i和iii为折射定律；
(b) 反射定律可以看作折射定律的特殊形式； n－>n＝－n，I－>I； (c) 介质界面及曲率半径均较波长大得多，反射和折射定律在曲面的 局部仍适用。
(3) 折射定律的矢量形式—光的反射折射定律
(1) 实验
(a) 开普勒实验(1611年) (b) 斯涅耳实验 (1621年)
(2) 内容 (3) 折射定律的矢量形式
A' A Γ t N 0 A [ n'2 n 2 ( A N 0 ) 2 A N 0 ]N 0
(4) 反射定律的矢量形式
A' ' A Γ r N0 A 2(A N0 )N0
A=n A0
A' A Γ t N ,
第一章 几何光学
以光线概念为基础研究光的 传播和成像规律
§1.1 光线传播的基本定律
一.几何光学的实验定律
1.光的直线传播定律。（各向同性介质中）
共面
2.反射定律和折射定律：
分于法线两侧 角度关系
3.光的独立传播定律和光路可逆原理（各向同性介质中）
几何光学中常用的器件-----棱镜
作用：改变光路 色散分光
s
2 2 2
n (s r)
n
s
/2
/2
0
/ 2
(s r )
1 n (s r )
2
n
1
/2
0
(s r)
/
求出上两式联立方程的解，可得一对特殊的共轭点， 称为球面折射的齐明点或不晕点 对一对齐明点，宽光束经球面折射仍能成像。
（二）把光束限制在傍轴区，即
则有：
2
cos 1
共轴球面系统的基点基面
(1) 焦点与焦平面
焦平面的普遍意义：顶点位于焦平面上的光束，其共轭光束为平行光束； 顶点位于焦点上的光束，其共轭光束与主光轴平行。 物（像）方焦点F（ F'）：与无限远处像（物）点共轭的轴上物（像）点。 物（像）方焦平面：过物（像）方焦点F（ F' ）的垂轴平面。
2
在傍轴区d<<s，s/，|r|；略去二阶以上无穷小量得
d (r s) PM s 1 2 s
d (r s' ) M P s ' 1 2 s'
因此，光程
d (r s) d (r s' ) [ PMP ' ] ns 1 2 2 ns ' 1 s s'
费马定理
三.费马原理的应用
光程最小即为路程最短,根据直线是两点间最短距 离这一几何公理,对于真空或均匀介质,费马原理 可直接得到光线的直线传播定律. 费马原理只涉及光线传播路径,并未涉及到光线的
传播方向.若路径AB的光程取极值,则其逆路径BA
的光程也取极值——包含了光的可逆性.
11
光程为极值的例子
6
1.均匀介质中光程
l nl
2.如果光从A点出发,经过 k 种不同的均匀介质
而到达B点,则总光程为：
l1
A v1
l2 v 2
l3 v 3
li v i
lk v k
B
l ni li
i 1
k
7
3.若由A到B充满着折射律连续变化的介质, 则光由A到B的总光程为
[ L]
B
A
实像和虚像
1.单心光束：凡具有单个顶点的光束.
发散单 心光束
会聚单 心光束
16
光线经反射或折射后,如果光束的单心性没有 2.像：
被破坏,即虽然光线的方向改变了,但光束中仍
能找到一个顶点,这个顶点就叫做发光点的像.
实像
反射和折射后实际光线的汇聚点.
虚像
反射和折射后实际光线的反向延长线的汇聚点.
17
复 习
几何光学的基本实验定律
1.光在均匀介质中的直线传播定律 2.光在两种介质分解面的反射定律和折射定律 3.光的独立传播定律和光路可逆原理
1
§1.2 费马原理
费马原理是一个描述光线传播行为的原理.
光
程
费马原理的表述 费马原理的应用
2
一. 光 程
定义：
l nl
费马原理可以推导出几何光学中的很多重要规律
费马原理可以推导出几何光学中的很多重要规律费马原理指出，光在指定的两点之间传播，实际的光程总是为最大或保持恒定，这里的光程是指光在某种均匀介质中通过的路程和该种媒质的折射率的乘积。
费马原理是几何光学中的一个十分重要的基本原理，从费马原理可以推导出几何光学中的很多重要规律。
例如光的直线传播、反射定律，折射定律，都可以从光程极小推出。
如果反射面是一个旋转椭球面，而点光源置于其一个焦点上，所有反射光线都经过另一个焦点，所有反射光线都经过另一个焦点，便是光程恒定的一个例子。
此外，透镜对光线的折射作用，也是很典型的。
一平凸透镜的折射率为 n，放置在空气中，透镜面孔的半径为R。
在透镜外主光轴上取一点 F ， OF f （图 1-3-8 ）。
当平行光沿主光轴入射时，为使所有光线均会聚于 F 点。
试问：（1）透镜凸面应取什么形状？（ 2）透镜顶点 A与点 O相距多少？（ 3）对透镜的孔径 R有何限制？解: 根据费马原理，以平行光入射并会聚于 F 的所有光线应有相等的光程，即最边缘的光线 BF 与任一条光线 NM F 的光程应相等。
由此可以确定凸面的方程。
其余问题亦可迎刃而解。
（1）取 o xy 坐标系如图，由光线 BF 和 NM F 的等光程性，得2 2 2 2nx ( f x) y f R整理后，得到任一点 M（x，y）的坐标 x，y 应满足的方程为1 ( ) 1 ( 1)2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 n nf f R y n n f R f n x 令 1 2 2 2 0 n n f R f x ， 1 2 2 2 n nf f R a，则上式成为2 2 2 0 2 (n 1)(x x ) y a这是双曲线的方程，由旋转对称性，透镜的凸面应是旋转双曲面。
（2）透镜顶点 A的位置应满足2 2 0 2 (n 1)( xA x ) axyBAM（x，y）nRf ′ F′ 图 1-3-8或者 1 1 2 2 2 n f R f n a x A x O可见，对于一定的 n 和 f ， xA 由 R决定。
几何光学基本原理证明反射定律符合费马原理证明费马
第三章 几何光学基本原理1．证明反射定律符合费马原理。
证明：费马原理是光沿着光程为最小值、最大值或恒定值的路径传播。
⎰=BAnds或恒值max .min ，在介质n 与'n 的界面上，入射光A 遵守反射定律11i i '=,经O 点到达B 点，如果能证明从A 点到B 点的所有光程中AOB 是最小光程，则说明反射定律符合费马原理。
设C 点为介质分界面上除O 点以外的其他任意一点，连接ACB 并说明光程∆ ACB>光程∆AOB由于∆ACB 与∆AOB 在同一种介质里，所以比较两个光程的大小，实际上就是比较两个路程ACB 与AOB 的大小。
从B 点到分界面的垂线，垂足为o '，并延长O B '至 B ′，使B O B O '=''，连接 B O '，根据几何关系知B O OB '=，再结合11i i '=，又可证明∠180='B AO °，说明B AO '三点在一直线上，B AO ' 与AC 和B C '组成ΔB AC '，其中B C AC B AO '+〈'。
又∵CBB C AOB OB AO B O AO B AO ='=+='+=',ACB CB AC AOB =+〈∴即符合反射定律的光程AOB 是从A 点到B 点的所有光程中的极小值，说明反射定律符合费马原理。
2、根据费马原理可以导出在近轴光线条件下，从物点发出并会聚到像点的所有光线的光程都相等.由此导出薄透镜的物象公式。
证明：由QB A ～FBA 得：OF\AQ=BO\BQ=f\s同理，得OA\BA=f '\s ',BO\BA=f\s由费马定理：NQA+NQ A '=NQ Q '结合以上各式得：(OA+OB)\BA=1得证 3．眼睛E 和物体PQ 之间有一块折射率为1.5的玻璃平板(见题3.3图),平板的厚度d 为30cm.求物PQ 的像 与物体PQ 之间的距离 为多少?解：.由题意知光线经两次折射后发生的轴向位移为：cmnd p p 10)321(30)11(=-=-='，即像与物的距离为cm 10题3.3图4．玻璃棱镜的折射棱角A 为60度,对某一波长的光其折射率为1.6.计算(1)最小偏向角;(2)此时的入射角;(3)能使光线从A 角两侧透过棱镜的最小入射角.解：由最小偏向角定义得 n=sin2A0+θ/sin 2A,得θ0=46゜１６′由几何关系知，此时的入射角为:i=2A0+θ=５３゜８′当在C 处正好发生全反射时：i 2’= sin-16.11=38゜41′,i 2=A- i 2’=21゜19′∴i 1= sin -1(1.6sin 21゜19′)= 35゜34′ ∴ｉmin ＝３５゜３4′５．图示一种恒偏向棱角镜,它相当于一个30度-60-90度棱镜与一个45度-45度度棱镜按图示方式组合在一起.白光沿i 方向入射，我们旋转这个棱镜来改变1θ，从而使任意一种波长的光可以依次循着图示的路径传播，出射光线为r.求证：如果2sin 1n=θ则12θθ=，且光束i 与 r 垂直（这就是恒偏向棱镜名字的由来）． 解： i nsin sin 11=θ若θ1sin = 2n , 则 sini 1 = 21, i 1=30。
《光学教程》第一章几何光学概述
光焦度的单位称为屈光度，以字母D表 示。若球面的曲率半径以米为单位，其 倒数的单位便是D
如果发光点的位置在P′点，它的像便在 P点。换句话说，如果P和P′之一为物， 则另一点为其相应的像。物点和像点的 这种关系称为共轭，相应的点称为共轭 点，相应的光线称为共轭光线。应该指 出，物像共轭是光路可逆原理的必然结
练习P161 3.10 3.12 3.13
六、球面反射对光束单心性的破坏
从物点发散的单心光束经球面反射后， 将不再保持单心性(即使平行光束入射 时也不例外)。
七、近轴光线条件下球面反 射的物像公式
在球面反射的情况中，物空间与像空间 重合，且反射光线与入射光线的进行方 向恰恰相反。这一情况，在数学处理上 可以认为像方介质的折射率n′等于物方 介 质 折 射 率 n 的 负 值 ， 即 n′=-n( 这 仅 在 数学上有意义)。
问题：平面镜反射能否成虚像？
二、光在平面界面上的折射 光 束单心性的破坏
当x不变时，像点S′的位置x′随y而变， 即 从 S 点 发 出 的 不 同 光 线 经 OM 面 折 射 后并不能相交于同一点。
进一步研究可知折射光线在空间也无同 一交会点，这说明折射光束的单心性已 被破坏。
比较光在平面上的反射
单独的球面不仅是一个简单的光学 系统，而且是组成光学仪器的基本 元素；
研究光经过球面的反射和折射，是 研究一般光学系统成像的基础。
一、基本概念
球面的中心点O称为顶点； 球面的球心C称为曲率中心； 球面的半径称为曲率半径； 连接顶点和曲率中心的直线CO称为主轴；
通过主轴的平面称为主截面；
主轴对于所有的主截面具有对称性，因 而只须讨论一个主截面内光线的反射 和折射。
省略一套公式.
1-1几何光学的基本定律和费马原理
由 i1, i2都是锐角， n1 0, n2 0 , 由图 x1 0, x2 0 ，
要使等式成立，i1, i2都是正，因此，x 在 x1, x2 之间，即入
过去表述：光沿所需时间为极值的路径传播。
现在表述：光沿光程取极值的路径传播。
［注］极值：极小值、极大值、恒定值
每一可能路径都是空间的 坐标函数,而光程又随路
数学表述：（由变分原理）
ò d
[l]
=
d
B
òA
n dl
=
0
或dt
=
1 c
B
ndl = 0
A
径而变化,是函数的函 数——泛函*,其改变称为 变分，数学过程是相应的 求导。 *泛函与复合函数（附录4）
度较低比如40度）进入光疏介质（地表空气薄层，低折光指数，
温度较高比如80度），发生的全反射。
29
3、日食、月食
30
31
附录3:利用费马原理证明折射定律
A,B是xoy平面内的两个固定点，且在不同的介质中，则光
线的轨道如何？
y A(x1,y1,o)
由A经C到B的光程为： z
i
1
D(x,0,0) C(x,0,zi)2
波面
光线
波面
光线
球面波
平面波
在各向同性介质中，光线总是与波面法线方向重合。
即光线与波面总是垂直的。
4
二、几何光学的基本实验定律
1、光的直线传播定律：光在各向同性的均匀介质 中沿直线传播。
实例：物体的影子、针孔成 象、日食、月食
［注］：非均匀介质中， 光以曲线传播，向折射率 增大方向弯曲
实例：夏日柏油路上的 倒影、海市蜃楼
5
光的衍射与费马原理
光的衍射与费马原理光的衍射是光学中重要的现象之一，它描述了光线通过狭缝或障碍物时的传播特性。
费马原理是衍射现象的基础理论，旨在解释光线沿着最短时间路径传播的原理。
本文将探讨光的衍射和费马原理之间的关系，以及其在实际应用中的重要性。
首先，让我们从光的衍射的概念开始。
当光通过狭缝或障碍物时，光线会发生弯曲和扩展的现象。
这种现象可以用光的波动性来解释，即光的传播可以看作是波的传播。
根据惠更斯-菲涅尔原理，每个点上的任意波前都可以看作是大量次级波的源点，这些次级波的幅度和相位决定了波的传播。
现在，让我们来谈一谈费马原理。
费马原理是光束传播的基本规律。
它表明光线传播的路径是沿着使光的传播时间最短的路径进行的。
这可以通过定义光程来解释，光程是光线传播路径的长度与光在介质中的传播速度之积。
费马原理指出，在传播路径的两侧点之间的所有可能路径中，只有光程最短路径上的光才能到达观察点。
这样，费马原理确定了光线的传播路径，进一步影响了光的衍射现象。
光的衍射可以用传统的赫兹霍尔兹尔公式进行计算。
该公式通过叠加光线幅度的波动来描述光线通过狭缝或障碍物时的传播特性。
这说明光的传播不仅仅沿直线路径进行，而是以波的形式向周围扩散。
在波前上的每个点上，都会发射出次级波，这些次级波形成干涉效应，并最终表现为光的衍射。
光的衍射是一个复杂而有趣的现象，它在许多领域中都有着广泛的应用。
例如，在天文学中，观测太阳和其他恒星的衍射图样可以提供有关它们的信息。
在光学显微镜中，光的衍射被利用来增强图像的清晰度和细节。
光的衍射还被用于成像和传输数据，如激光技术中的光纤通信。
费马原理的应用也非常广泛。
在几何光学和光路设计中，费马原理可以用来确定最佳的光路布局和透镜形状。
在光线传播的微观尺度上，费马原理可以用于计算光学薄膜的反射和透射特性。
此外，费马原理还与最速降线法相结合，应用于优化问题中，如光线在多介质系统中的传播路径。
总结而言，光的衍射现象可以通过费马原理来解释。
1.2 费马原理
光程[l]取极小值
z0 有
n1 ( x x1 ) ( x x1 ) 2 y12 x x1 ( x x1 ) 2 y12 i i
13
n1 ( x2 x) ( x x2 ) 2 y 2 2 x x2 ( x x2 ) 2 y2 2 sin i
(n1 L1 n2 L2 ) 0 y
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分别将L1和L2代入上式可得：
n1 y n2 y n1 (n1 L1 n2 L2 ) 0 (1) y L1 L2 P (n1 L1 n2 L2 ) x x x x1 x x2 n2 B n1 n2 0 (2) L1 L2
i ,
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一、光程 光程定义: 光在介质中的光程 L 为介质的折射率与 光在介质中所走的几何路程之积. L ns 因此,光在介质中走过的光程，等于以相同的时间 在真空中走过的距离.
若由A到B充满着折射率连 续变化的介质，则光由A到B B 的总光程为
B
L nds
A
（分母大于零）
n1 ( x x2 ) ( x x2 ) 2 y 2 2 z 2 n1 z ( x x2 ) 2 y 2 2 z 2
0 0
入射线和反射线应 在xoy平面内.
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M ( x,0, z) M ( x,0,0)
AM MB AM M B
B
所用时间为 t 1
nds c
A
A
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二、费马原理
1658年法国数学家、物 理学家费马（P. Fermat
1601-1665) 概括了光线传
费马定理介绍
费马定理费马原理是光学中最为基础的原理，它在物理学发展的历程中有着至关重要的作用。
它用一种新的看法将几何光学的三个基本实验定律（光的反射定律和折射定律、光的独立传播定律光的直线传播定律直线传播）进行统一，并表述了三者的联系。
通过研究几何光学问题，能彰显出费马定理的重要性，能更加系统化光学理论。
可见通过费马原理推导上述三个基本实验定律，能使我们更加系统的理解光学理论，这对广大学者都有着不可或缺的意义。
费马原理的直观表达:光从空间的一点到另一点的实际路径是沿着光程为极值的路径传播的。
或者说, 光沿着光程为极大、极小或者常量的路径传播。
光线从Q 点传播到P 点所需的总时间：⎰∑∑=∆=∆===ndl ct l n c v l t PQ i i i i i i 1111费马原理：在所有可能的光传播路径中，实际路径所需的时间 取极值。
⎰==01ndl ct P Q δδ 在光传播的所有可能存在的路径中，其实际路径所对应的光程取极致。
⎰==0ndl L P Qδδ① 直线传播定律：两点间的所有可能连线中，线段最短——光程取极小值。
② 内椭球面的反射： 椭球面上任一点到两个焦点连线的角平分线即过该点()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+++=222221x a H x H n OBn AO n L +=的面法线，且两线段长度之和相等。
用费马原理导出反射定律如下图， PQ 为两个介质间的平面反射镜,从A 点发射出的光线照射到PQ 平面上的O 点，经过反射到达B 点。
假设光线所处的介质为均匀介质。
光线的透射点O 到A 点与反射平面垂足P 的长度为x 。
那么点A 到点B 的光程为：很明显，光程L 是关于变量x 的函数，由费马原理分析，真实的光程是固定的，在均匀介质中的一阶导数是0，即()()0222221=-+--+=x a H x a n xH nx dxdL即有()I n I n -sin sin =即I I -=反射定律由上面推导出来了。
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n1
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S1
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Si
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vi
Sk vk
nk
B
光从A点经过几种不同的均匀介质到达B点，所需
时间为：
ts1
s2
sk
ik
si
1 2
k i1 i
因为介质的折射率 ni ci ,
所以上式可写为
t
1 ik
cB i 1
nisi
ik
nisi
ct 14
i1
光程
光程定义: 光在介质中的光程 L 为介质的折射率与
B
6
上篇：几何光学与成像理论
B
7
几何光学传播规律 (光在介质中的传播规律) 1、几何光学三定律
光的直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播
注意：在非均匀介质中，光线会因折射发生弯曲。这种现象在大气中经常发生， 如在海边或沙漠地区有时出现的海市蜃楼幻景，就是因为光线通过当地密度不均 匀的大气产生折射而形成的。
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什么是光学?
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什么是光学？
狭义来说，光学是关于光和视见的科学。 optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相 联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是 研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射 线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、 传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。
光在介质中所走的几何路程之积. Lns
光在介质中走过的光程，等于以相同的时间在真空 中走过的距离.
若由A到B充满着折射率连
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续变化的介质，则光由A到B
的总光程为
B
L nds
A
所用时间为 t 1 B nds
cA B
A
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费马原理
1658 年 法 国 数 学 家 、 物理学家费马（P. Fermat 1601-1665) 概 括 了 光 线 传 播的三定律，发表了“光 学极短时间原理”。
人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎 么能看见周围的物体？”之类问题。
墨翟（公元前468～376年）《墨经》—— 光影；光的直线传播；光的反射；平面镜及球面镜成像等。
沈括（北宋时期）《梦溪笔谈》
自《墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛姆发明透镜；公 元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直 到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结 果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。
物理光学（波动光学）是从光的波动性出发来研究光在传播过 程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较 方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异 性的媒质中传播时所表现出的现象。
量子光学是从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学
科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。
B
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费马原理是几何光学的基本原理。
用数学的语言来描述，就是光线所经过的光程 的变分等于零。即
B
dL d nds 0 A
由费马原理可直接推出光在均匀介质中沿直线 传播。也可以证明，光通过两种不同介质界面时， 所遵从的反射定律和折射定律也是费马原理的必 然结果。
B
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光程为极值的例子:
(1) 光程为极小值
后将会看到各种颜色，这种现象B 称为色散。
9
B
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关于折射定律及折射率的补充说明：
波速小的介质称为波密介质，波速较大的介质称为波疏介质
1. 折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光 疏介质。
当光从空气射入水（光由光疏介质射入光密介质），折射角小于入射角； 而当光由光密介质射入光疏介质，折射角大于入射角。
2、光的独立传播定律和光的可逆性原理
•光的独立传播定律：自不同方向或不同物体发出的光线相 交时，对每一光线的传播不发生影响，即各自保持自己原 有的特性，沿原方向继续传播，互不影响。
•光的可逆性原理：当光线的方向反转时，它将逆着同一路 径传播，称为光的可逆性原理。
B
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3、费马原理（ Fermat’s Principle ）
B
B’
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(2) 等光程的例子
A
B
回转椭球凹面镜,自其一个焦 点发出，经镜面反射后到达另 一焦点的光线等光程。
✓透镜物像的等光程性
马吕斯定律 垂直于波面的光线经过任意多次折射和反射后，出 射波面仍和出射光束垂直；且入射波面和出射波面 上对应点之间的光程为定值。
B
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薄透镜成像的等光程性
透镜可以改变光线的传播方向，但是在光路中放入薄透镜不 会引起附加的光程差。
1922年发现的康普顿效应，1928年发现的塞曼效应，以及当 时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明 光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明， 现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义 相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。
此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理 学和现代科学技术前沿的重要组成部分。
反射定律：① 反射线在入射线和法线决定的平面内； ② 反射线、入射线分居法线两侧； ③ 反射角等于入射角，i1 i1
B
8
折射定律：①折射线在入射线和法线决定的平面内； ②折射线、入射线分居法线两侧；
斯涅耳折射定律 ③折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一 （W. Snell，1621） 个与媒质及光的波长有关的常数：
sin i2 n1 s in i1 n 2
n2sini2n1sini1
（绝对）折射率：光在真空中的速度与光在该材料中的速度的比值
n c
u c
u
n
注意：在折射中，频率不变，波速和波长都会发生改变。
同一透明介质对于不同波长的单色光具有不同的折射率。
因此，白光经过棱镜后将被分解为各种不同颜色的光，在棱镜
欧几里德（公元前330～275）《反射光学》
“人为什么能看见物体”；光的直线传播；平面镜成像；光
的反射等。
B
1
光学的发展历史
1、牛顿提出 光的粒子性
2、惠更斯、 胡克提出光 的波动性
3、托马斯杨 发现了光的 干涉现象
6、赫兹从实 验上证明了 光是电磁波
5、麦克斯韦 提出电磁波 理论并预言 光是电磁波
（建立起光的经典模型： 光是一种电磁波，且是横波）
4、菲涅耳提 出了完整的 光的干涉衍 射理论
（建立起光的波动学说）
7、20世纪初期：量子理论认为光既是粒子也是波动
（光的波粒B 二象性）
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光学的发展历史
在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体 的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光 电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量 子性——微粒性。
突变型多模光纤的光线传播原理
数值孔径(Numerical Aperture, NA)：临界角θc的正弦
NA表示光纤接收和传输光的能力。NA(或 θc )越大，光纤接收 光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。 但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信 息传输容量。 所以要根据实B际使用场合，选择适当的N1A2 。
经后人修正，称为费 马原理。
B
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如果你在湖边看到一个小孩溺水，你当然希 望用最快的速度去营救他，那么你应该怎么做 才能最快呢？
B
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费马原理表述为：
光在指定的两点间传播的实际路径，光线总是沿 着光程为极值的路径传播。
也就是说，光沿着光程为最小值、最大值或恒定 值的路径传播。
也可以说，光沿着所需时间为极值的路径传播。
A
B
CDE
B'
A
i1
E
CD
i2
BB
由A点发出的光线经界面 D点反射后通过B点,符合反 射定律,其光程较其他任一 光线ACB'的光程都小.
由 A 到 B, 符 合 折 射 定 律 的 光 线ADB的光程,比任何其他由A 至B的路径的光程都小.
B
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由费马原理导出光的反射定律
A
C
M
由费马原理导出光的折射定律？？ B
光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他
应用技术紧密相关的学科。
B
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经典光学的研究内容
通常把光学分成几何光学、物理光学（波动光学）和量子光学 三个大类。
几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传 播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光 在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在 某些条件下的近似或极限。
2. 光线从光密介质入射到光疏介质，当入射角逐渐增大到某一 角度时，折射角等于90度，此时入射光全部被反射（全反 射），对应的入射角称为临界角。
n1sinicn2sin90
ic
arc sin
n2 n1
？？发生B 全反射的两个条件11
*全反射的应用
c
o
1
2
3
3 2
c
l
Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
y
1
1
z x 纤芯n1
包层n2
F F
波阵面
波阵面
B
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总结重难点：
1、几何光学传播规律（三定 律+独立传播原理+可逆性） 2、光程的概念及计算问题 3、对费马原理的理解
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谢谢！ 下节更精彩！
作业： P13，习题2、6、7、8
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