最新光学基础知识1.教学讲义PPT课件

对于光的本质的总结
• 光是一种电磁辐射，它是一种可被人眼感知的具有波粒二相性其他一些短波辐射）的波长远远小于度 量尺度，其波动特性难以显现或者说是微小的可以忽略，故表现 出很强的粒子性，因而可用几何光学很好的进行近似描述。
• 在微观尺度，当参照尺寸接近其波长或辐射源表现出很好的相干 性时，其波动的特性就十分明显的表征出来，此时必须用波动光 学进行描述。
• 对光的直线传播的解释：
v
当V→∞，m→0时直线传播
mg
• 对反射的解释： 反弹
对折射的解释： 加速
但微粒说无法解释光的独立传播。
没有碰撞？
波动说
• 波动说认为：光是由发光体发出的光 波，就像人耳听到铃铛的声波那样， 人眼看到的是烛火发出的光波。波动 说的代表人物是荷兰科学家惠更斯。
• 波也遵从反射定律和折射定律，并且 不会因相互碰撞而改变方向。
• 在量子尺度，当光（或辐射）与电子、质子这样的微观粒子发生 作用时（如光电效应）则必须用量子理论加以描述了。
二、实用光学知识
光学可以说是一项实验的科学，它的每一点进展都伴随着实践的脚 步。
在中国古代就有过利用冰块来取火的记载：“削冰为球，举以向日， 可以取火。”而古希腊也有过在海战中利用镜面反射日光焚毁敌船 的传说。
• 当入射光频率过低，其光子能量小于金属材料的表面势垒，则不 能激发出电子，因而存在截至频率。
粒子说在沉寂多年后终于再次复兴。但此时的粒子流已非从前的粒 子流，因为每个粒子其实都被解释为一个能量包，其能量值为hν， 是以波动形式存在的，因为频率ν正是一切波动共同专有的特征。
hν
hν
hν
hν
光束
hν
现代的研究表明：一切的微观粒子诸如电子、质子等均有这种既表 现出波动性又表现出粒子性的波粒二相性。
• 折射定律：入射光线、折射光线和界面法线三者在同一平面内且 入射角与出射角满足公式 n sinI = n’ sinI’
• 焦点：平行于光轴入射光线的汇聚点，也就是无限远轴上点的像 点。通过焦点且垂直于光轴的平面称为焦面。
• 焦距：对于薄透镜，近似的等于焦点到透镜顶点的距离。其中在 入射方的称为物方焦距，用小写字母 f 表示。其中在出射方的称 为像方焦距，用 f‘ 表示。
就在波动说似乎成了无可辩驳的真理的时候，当对光电效应进行研 究时人们发现：
• 光电子的数目正比于入射光的强度。
• 光电子的能量与入射光强无关，强光与弱光打出来的光电子的飞 行速度都是一样的。
• 光电子的能量正比与入射光的频率，并且对于每种金属材料都存 在着一个截至频率，低于这个频率的入射光无论多强也的不到光 电子。 这些现象似乎表明：光束照射在物质上，其能量并非均匀的洒遍 整个表面，而是有选择的集中在了某些电子上。这与波动说的预 言大相径庭，却是微粒说所能预料的。 波动说的权威地位终于受到了严峻的挑战。
直到1900年，普朗克给出了辐射的基本能量单位hν（能量子），进而 爱因斯坦在1905年指出：光是一种粒子流，每个粒子（光子）的能 量为hν，才成功的解释了上述现象。
• 随着光强的增大，击中电子的光子数目增多，因而激发出的光电 子数量也随之增加。
• 既然光子的能量仅与频率有关（ hν ），被光子激发出来的光电子 所获得的能量也为hν，仅与频率有关。
• 对于透镜的成像关系可用下述牛顿公式进行计算： 1∕f’ = 1∕l’ - 1∕l
• 并可用下列原则作图求解 ①平行于光轴入射的光线经过透镜后通过焦点。 ②通过焦点的光线经过透镜后平行于光轴出射。 ③通过主点（透镜中心）的光线方向不变。
• 波长的测定揭示了光的直线传播和独立传播定律是在一定尺寸范 围内的完美的近似。因为日常的尺度范围远大于光波波长。
漂亮的黄绿色光，其波长为555纳米=0.555微米=0.000555丝，为通常的头 发丝直径的千分之一倍。
• 因此除非是针对非常小的尺度或者光源的单色性和方向性极其的 好，否则光的波动特征并不能显著的表现出来。
• 对于物点、物面、物距 l ;像点、像面、像距 l’ 有着类似的描述。 • 共轭距：物像之间的关系称为公轭，物像之间的距离称为共轭距
常见光学零件的基本形式
• 透镜及其基本类型
双凸 平凸 正
正弯月 负
双凹 平凹 负弯月
• 平面零件的常见类型
反射镜
滤色镜
分光镜
• 棱镜 折射棱镜
反射棱镜
成像公式与图解
• 但波并不完全按直线传播，它应能绕 过障碍物，并能在相交处发生干涉。
空 间 频 率 的 干 涉
波动说的全面胜利
• 由于微粒说和波动说都有各自无法解释的问题，因此经过了一百 多年的争论，依然胜负难分。直到1801年，著名的杨氏实验打破 了这种僵局。
• 此后，菲涅尔著名的单缝衍射实验进一步证明了光的波动性。
此后一系列的实验结果进一步证明了光的波动性：
• 首先1850年，法国物理学家傅科证明了介质中的光速比空气中慢， 这对微粒说又是一次致命的打击。
• 此外，多谱勒效应和光的偏振效应都进一步证明了光的波动性。
V
麦克斯韦尔进一步在理论上证明了光是一种电磁波，它和无线电波 是同一种东西。它们共同在空气中以每秒三十万公里的高速狂奔着， 所不同的只是他们的频率（或者说是波长）而已。至此，光的波动 说从实验到理论形成了完整的体系，占据了绝对的统治地位。
光学基础知识1.
流注说
• 流注由人眼发出， 如触须之辨物。
• 可以解释为何只可看 见眼前之物，并且闭 上眼睛就不可见物。
• 流注由光源发出， 经物体反射后被 人眼接收。
• 可以解释为何黑暗无
光处不可辨物。
那么，流注究竟是什么流呢？到十六世纪逐渐形 成了微粒说和波动说。
• 微粒说认为：光是由发光体发出的粒子流，以极高的 速度运动着。其的代表人物是英国的物理学家牛顿。
古人的这些实践用今天的光学理论来说就是聚焦或成像。
几何光学的基本定律与基本概念
• 直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。 • 独立传播定律：从不同光源发出的光线以不同的方向通过某点时，
彼此互不影响。
• 反射定律：入射到光滑反射界面的光线经界面反射后，入射角与 反射角大小相等方向相反。 I = I’