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激光光学课件第二章1-3节

四、薄透镜 设焦距为f 的薄透镜置于折射率均匀的介质中,其变换矩阵为 (2.3.22) 将式(2.3.22)代入式(2.3.4),得 (2.3.23) 这即几何光学中的高斯成像公式。 若以焦面为参考,令 (2.3.24) 得到牛顿公式 (2.3.25) 五、厚透镜 设厚透镜两端面曲率半径分别为 ,几何厚度 、由折射率为 的介质构成,并置于折射率为 的介质中。则其变换矩阵为 (2.3.26) 另一方面,设厚透镜主距为 ,焦距为f ,则有 (2.3.27) 比较式(2.3.26)、式(2.3.27)得 (2.3.28) 当f为有限值时,使用参考面移动技巧,即分别将 移至主面 处后,由式(2.3.27)知,厚透镜可视为一个焦距 f 的薄透镜。 * 第二章 光学中的矩阵方法 2.1 变换矩阵ABCD定律 2.2 变换矩阵示例 2.3 几何光学中的矩阵方法 2.4 复杂光学系统的菲涅耳数和程函数 2.5 ABCD矩阵的分解 2.6 共轴球面腔的约束稳定性 2.7 光腔的本征方程 微扰稳定性 2.8 多程反射室 2.1 变换矩阵 ABCD矩阵 一、空间近轴光线的变换 图2.1.1空间近轴光线的传输 如图2.1.1所示,空间光线经过任意光学系统变换后的位置和方向用四个量表示。对近轴光线, 都很小,选择适当的坐标系可以使这种变化是线性的,于是可以用一个4Χ4的 变换矩阵表示为: (2.1.1) 式2.2.1是用几何方法研究空间近轴光线变化的基本方程,变化矩阵一般是4Χ4的,但对于轴对称光学系统, 和 经历的变化相同,只需要一个2Χ2矩阵(称为轴对称光学系统的变化矩阵或者ABCD矩阵)如2.1.2来描述这一变化: (2.1.2) (2.1.3) 即 (2.1.4) 式中 式(2.1.3),(2.1.4)或(2.1.5)都是近轴光线ABCD定律的数学表示式。对于近轴球面波,曲率半径R等于 可简写为 (2.1.5) (2.1.6) (2.1.7) 由式(2.1.4)立即可得 (2.1.8) 或 (2.1.9) 式(2.1.8),(2.1.9)都称为球面波的ABCD定律。 若光纤顺次通过变换矩阵为 的光学系统,利用矩阵乘法规则得到 (2.1.10) 式中 (2.1.11) 简写为 (2.1.12) 式(2.1.10)又可写为 (2.1.13) 二、符号规则 (1)对x(光线离轴距离)、θ(光线与光轴夹角)正负号规定如图2.1.2,即光轴上方为正,下方为负,光线出射方向指向光轴上方为正,指向下方为负。 图2.1.2 x、 符号法则示意图 (2)反射面曲率半径ρ ,对凸面反射镜ρ0,对凹面反射镜ρ0. (3)反射面曲率半径ρ ,对凸折射面ρ0,对凹折射面ρ0. (4)球面波波面曲率半径R,对发散球面波R0,会聚球面波R0. (5)光学元件和系统的长度量,如光学系统的基点(基面)位置,物距和像距 等,情况比较复杂,将在后面结合具体问题说明。 (6)公式中文字符号均表示代数量。 注意:对公式中物理量的正负号或数值运算结果出现正负号问题最好除使用确定的符号规则外,还应当从物理角度加以分析和取舍,才能得出正确的结果。 三、变换矩阵的基本性质 1.detM ABCD矩阵一个重要性质是它的行列式之值detM仅由入射光线和出射光线所在空间折射率 决定,即 当入射光线和出射光线位于折射率相同空间时 (2.1.14) (2.1.15) 2.ABCD矩阵的反向变换矩阵和逆矩阵 若规定由左向右光线传输方向为正,当光线由右向左即反向传输时有 (2.1.16) 式中 为 的逆矩阵,由矩阵代数知 (2.1.17) 将式(2.1.17)代入(2.1.16),得到 (2.1.18) 式中反向变换矩阵 为 (2.1.19) 讨论:(1)detM=1时 (2.1.20) (2.1.21) (2)折射率突变平界面 由表2.

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