大学物理几何光学课件

究
量子光学：以光和物质相互作用时所显示
出的粒子性为基础，研究光的
一系列规律。
非线性光学 集成光学
信息光学
统计光学
激光光谱学 ……….
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16. 1 几何光学的基本定理
一、直线传播定律
在均匀各向同性介质中， 光沿直线传播。 如：针孔成像就是光沿直 线传播的结果。
针孔成像
2009.7.22四川省遂宁市 大英县观察到的日全食
所用时间为： t 1 nds cS
时间 t 有极值的条件是:
δt δ[1 nds]0 或 δLδ[ nds]0
cS
S
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光线沿光程为平稳值的路径而传播。 光程：
光在i介质中的光程等于在相同时间t内光线在真空中所走的路程。
平稳值的三种基本含义：
费马原理推论：物象等光程，
极小值——直线传播、反射、折射 即由物点发出的所有光线通过
波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中 传播需要媒质，于是臆想出“以太”，认为真空中充满了 “以太”，但找不到。
十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言 电磁波存在，1887年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波
的速度等于光速，认为光是电磁波。
科学家们认为光的本质研究已完成---光是一种电磁波
光学
引言：光学的起源和光的本质
我国早在春秋时代《墨经》中记载了许多光学现象， 如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方 面长期在世界居于领先地位。
近代光学的发展一直伴随对光的本质的研究，他经历 了几个时代：
古希腊（欧几里德），把光看作触须投射（错误认识）
十七世纪开始，对光的本性的认识，有两种学说并立
光阑
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2. 光的独立传播定律： 来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持
原来的传播方向继续传播。
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3、反射定律：
入射光线、反射面的法线和
反射光线三者处在同一平面上， 入射光线和反射光线分居于入射 点界面法线的两侧，入射角等于 反射角。
i i'
i i S
en ' R
界面
光的反射
漫反射
光路可逆性原理
例如： 少女？ 老妇？
两种图象寓于 同一幅画中； 但两种图象不会同时 出现在你的视觉中。
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第16章 几何光学
光学的理论体系
几何光学：以光的直线传播为基础，采用几何方法研究 光在透明介质中的传播问题。
其基础是光波长趋于零（<<a）
物理光学 现代光学
波动光学：
以光的波动性为基础， 光的传播及其规律。
研
以牛顿为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线
飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解
释干涉、衍射、偏振
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惠更斯提出光的波动理论，认为光是在一种特殊介质 中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。
托马斯.杨和菲涅尔（在十九世纪初）透过实验和进一 步的理论工作，验证了光的波动理论，成功地解释了光的干 涉、衍射。
d x 2
2
上式可以写成：
x
dx
a2x2 b2(dx)2
B
A
a
i i’
xP
由图可知：
sinisini'
b
n 即： i i '
d
这就是反射定律。
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费马原理的应用(2)——折射定律
折射定律的证明（取极小值）设A(0,yA)，O(x,0) ，B(xB，yB) y
ΔniAO+ntBO
=ni x2yA 2nt (xBx)2yB 2
d L n 1 ( a 2 x 2 ) 1 2 ( 2 x ) n 1 [ b 2 ( d x ) 2 ] 1 2 2 ( d x ) ( 1 ) 0
d x 2
2
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d L n 1 ( a 2 x 2 ) 1 2 ( 2 x ) n 1 [ b 2 ( d x ) 2 ] 1 2 2 ( d x ) ( 1 ) 0
极大值——凹球面反射镜
光具组后均应以相等的光程到
常 数——成像系统的物像关系 达像点 。
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费马原理的应用(1)——反射定律
A与B时折射率为n的均匀介质
B 中的两点，有一光线APB，其
A
光程为：
a
i i’
xP
d
b
L (A P B )na2x2 nb2 (dx)2
n
根据费马原理，这光程 应为极小，所以
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随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应， 康普顿效应，利用波动光学无法解释，1900年普朗克提出 量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效 应。
目前关于光的本质（光是什么）只能讲：
光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。
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光在某些条件下表现出粒子性， 在另一些条件 下表现出波动性， 而两种性质虽寓于同一体中， 却不能同时表现出来。
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4、折射定律
入射光线、折射光线和分界 面的法线en三者同处在一个平面
上，入射角i 和折射角 有下述关
系：
sin i
sin
n2 n1
n21
入射光线
en
分界面
i 入射角 n1
其 中 ： n21 称 为 介 质 2 相 对 于介质1的相对折射率
折射角
n2
折射光线
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物质相对于真空的折射率称为绝对折射率（简称折射
n1sinin2sin
当 n1 n2 有 i
临界角 A：n2en iAi Nhomakorabean1
相应于折射角为90°的入射角。
sin A n2 n1
（n1＞n2）
旋转反射镜
全反射：当入射角 i 大于临界角 A时，将不会出现
折射光，入射光的能量全部反射回原来介质的现象。
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全反射的应用
光导纤维的光路
内窥镜
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16.2 共轴理想光学系统的成像
d dΔ x=ni
x2 2 xyA 2nt
2(xxB) 0 (xBx)2yB 2
ni
x x2yA 2 nt
xxB (xBx)2yB 2
一、光程
光在均匀介质走过的几何路程 r 与
介质折射率 n 之乘积。用 l 表示。
即： l = nr
光程的物理意义：表示光在介质中通过真实路程所需时 间内,在真空中所能传播的路程。
介质中：
r
折合到真空中：
nr
n
S
光程
LSnds
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二、费马原理
光从一点传播到另一点将循着这样 一条路径，光沿所需要时间为极值（可 以是极大值、极小值，也可以是常量） 的路径传播。 即：光沿着光程为极值的路径传播。
率），其定义为：
n c v
光在真空中的传播速度 光在介质中的传播速度
两种介质相比较，折射率大的介质，光在其中的
传播速度小，称为光密介质；折射率小的介质，光在
其中的传播速度大，称为光疏介质。
n21
n2 n1
v1 v2
折射定律也可表示为： n1sinin2sin
斯涅耳定律（Snell’s Law）10
5、全反射